Czym jest rurka wirowa
Jest ona znana również jako rurka Ranque’a i służy do rozdzielania sprężonego płynu na strumień zimny oraz strumień gorący. Ciecz (bądź gaz) wydobywający się z gorącego końca może osiągać temperaturę aż 200 ° C, natomiast ciecz wydobywająca się z zimnego końca może osiągnąć temperaturę -50 ° C. Po raz pierwszy zjawisko to zostało odkryte przez francuskiego fizyka Georges Ranque’a w roku 1931. Nie znalazł on wtedy szerszego zastosowania dla swojego urządzenia. Dopiero w latach 90 pojawiły się generatory ciepła, których podstawą były rurki ciepła.
To co wyróżnia rurkę wirową jest brak ruchomych części i jest uważany za technologię przyjazną dla środowiska, ponieważ może działać wyłącznie na sprzężonym powietrzu i nie wykorzystuje freonu.
Gaz pod ciśnieniem jest wtryskiwany stycznie do komory wirowej w pobliżu jednego końca rury, co prowadzi do szybkiego obrotu — pierwszego wiru — i porusza się wzdłuż wewnętrznej powierzchni rury aż do drugiego końca. Na samym końcu znajduje się stożkowa dysza, która umożliwia wydostanie się gazu. Pozostała część gazu jest zmuszana do powrotu w wewnętrznym wirze o zmniejszonej średnicy. W tym momencie wewnętrzny wir przenosi ciepło do gazu w zewnętrznym wirze. Powoduje to, że warstwa zewnętrzna jest gorętsza na drugim końcu niż była na początku. Ponadto gaz w centralnym wirze, po powrocie do punktu początkowego, jest również chłodniejszy. Tam też jest uwalniany z rury.
Sposób działania rurki wirowej
Separacja temperatur między zimnym rdzeniem wiru, a ciepłymi peryferiami wiru w rurkach wirowych wynika z zachowania entalpii w ruchomym układzie odniesienia.”Efekt rurki wirowej” jest w pełni wyjaśniony za pomocą równania pracy Eulera, znanego również jako równanie turbiny Eulera, które można zapisać w najbardziej ogólnej formie wektorowej jako: TU WSTAW RÓWNANIE
Powyższe równanie jest ważne dla adiabatycznego przejścia turbiny. Wyraźnie pokazuje, że podczas gdy gaz poruszający się w kierunku środka staje się zimniejszy, gaz peryferyjny w przejściu „przyspiesza”. Dlatego chłodzenie wirowe jest spowodowane napędem kątowym. Im bardziej gaz ochładza się, docierając do centrum, tym więcej energii obrotowej dostarcza do wiru, a tym samym wir obraca się jeszcze szybciej. Wyjaśnienie to wynika bezpośrednio z prawa zachowania energii. Sprężony gaz o temperaturze pokojowej jest rozprężany w celu uzyskania prędkości przez dyszę. Następnie pokonuje odśrodkową barierę rotacji, podczas której energia jest również tracona. Utracona energia jest dostarczana do wiru, co przyspiesza jego obrót. W rurze wirowej cylindryczna ściana otaczająca ogranicza przepływ na obwodzie, a tym samym wymusza konwersję energii kinetycznej na energię wewnętrzną, która wytwarza gorące powietrze na gorącym wylocie.
Symulacja numeryczna rurki wirowej
Aby przeprowadzić symulację numeryczną rurki wirowej, należało na początku stworzyć geometrię. W tym celu skorzystano z programu SOLIDWORKS. Kształt obiektu został przedstawiony poniżej.
Następnie można było przejść do zdefiniowania fizyki.
Jako płyn zostało zdefiniowane powietrze. Następnie przypisano miejsca gdzie znajdują się wloty oraz wyloty z rurki. Na wlocie panuje ciśnienie całkowite o wartości 483000 Pa oraz powietrze ma temperaturę 21.05 °C. Intensywność turbulencji ustawiono na 5%.
Następnie zdefiniowano wyloty. Wylot dla zimnego powietrza znajduje się blisko wlotów. Ciśnienie, które panuje na tym wylocie to ciśnienie atmosferyczne, a temperatura jest równa 20,05 °C. Tak samo jak wcześniej, tak i tutaj intensywność turbulencji jest równa 5%.
Jako ostatni wylot, zdefiniowano wylot gorącego powietrza. Znajduje się on po przeciwnej stronie rurki i ciśnienie, które tam panuje to 171325 Pa. Pozostały parametry są takie same jak dla wylotu chłodnego powietrza.
Następnym etapem było zdefiniowanie celi obliczeniowych. W tym przypadku zdecydowano się na poznanie wartości przepływu masowego na każdym otworze dolotowym oraz na poznaniu średnich temperatur oraz ciśnień statycznych na wylotach.
Ostatnim etapem było zdefiniowanie siatki obliczeniowej. Zdecydowano się na ustawienie siatki manualnie. Parametry siatki zostały przedstawione poniżej. Ponadto postanowiono dodać siatkę lokalną, która zagęściła komórki w pobliżu ścianek.
Dla tak wybranych parametrów siatka wygląda następująco.
Kolejnym krokiem było wykonanie obliczeń.
Pierwszym wykresem, który postanowiono przedstawić jest wykres ciśnienia całkowitego. Na rysunku widać, że ciśnienie całkowite jest znacznie niższe w centrum rurki niż na przy jej ściankach. Z równania Bernoulliego wynika, że ciśnienie totalne wszędzie powinno być takie same. Jednakże obszary o niższym ciśnieniu świadczą o tym, że zachodzą straty energii.
Ponadto zmiany ciśnienia mają znaczący wpływ na temperaturę gazu. Nagła zmiana średnicy rurki powoduje spadek ciśnienia, a jednocześnie spadek temperatury. Zmiany temperatury można obliczyć za pomocą równania adiabatycznej ekspansji.
Oczywiście nie jest to jedyny czynnik wpływający na separację cząstek, jednakże jest on również znaczący. Pole zmiany temperatury zostało przedstawione poniżej. Wykres przedstawiający wymianę ciepła, został przedstawiony poniżej.
Żeby lepiej zrozumieć rozkład temperatury, to na powyższy wykres naniesiono linie prądu
Jak widać na powyższy rysunku, istnieją strefy recyrkulacji. Jedne z nich są zaraz przy wylocie zimnego gazu. Kolejne wiry zaczęły powstawać bliżej wylotu ciepłego powietrza. Wynika stąd, że część gazu odrywa się od wewnętrznego wiru i z powrotem leci z gorącym powietrzem. To samo można powiedzieć o wirach, które znajdują się na końcu rurki. Ewidentnie widać, że nie całe powietrze dociera do samego wylotu.
Kolejną przyczyną separacji jest wirowość oraz turbulencja. To one pomagają w wymianie energii pomiędzy zewnętrznym wirem, a wewnętrznym. Można zaobserwować na powyższym rysunku, że w miejscach, w których zaczynają powstawać wiry, temperatura płynu znacząco rośnie. Energia kinetyczna jest przenoszona z warstwy wewnętrznej do zewnętrznej poprzez tarcie wewnętrzne.
Zakończenie
Rurki wirowe są niezwykle ciekawymi urządzeniami, ponieważ samo wyjaśnienie ich sposobu działania zajęło naukowcom ponad 90 lat. Z tego też względu warto bliżej się przyjrzeć tym pozornie prostym urządzeniom.
Swoje zastosowanie znalazły w wielu gałęziach przemysłu. Używa się je do chłodzenia urządzeń pracujących w wysokich temperaturach oraz do ogrzewania pomieszczeń oraz wody użytkowej. Ponadto mogą one być stosowane do rozdzielania niektórych ciekłych mieszanin, takich jak woda z olejem.
