DE858260C

DE858260C - Process for improving and applying the vortex tube effect

Info

Publication number: DE858260C
Application number: DEH9540A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl-Phys Rotter
Original assignee: Andreas Hofer Hochdruck Apparatebau GmbH
Current assignee: Andreas Hofer Hochdruck Apparatebau GmbH
Priority date: 1951-08-24
Filing date: 1951-08-24
Publication date: 1952-12-04

Description

Verfahren zur Verbesserung und Anwendung des Wirbelrohreffektes Der W i rbel rohreif ekt wurde von Georges R a n q u e (Journal de 1'hysiclue [7] 112 [i933]) gefunden. Die dazu benutzte \"orrichtung ist in den Abb. i und 2 dargestellt. \laii läßt in einem zylindrischen Rohr t Luft von mehreren Atmosphären Druck durch die Düse 2 einströmen. Die Luft entspannt sich teil- weise in der Düse und teilweise während der rotie- renden Strömung in Richtung zur Rohrachse hin. Infolge Energiclustausch im Zentrifugalfeld wird die kinetische Energie der nach dem Zentrum strö- menden Luft teilweise nach den Randschichten transportiert und tritt dort als Wärme auf. Der in der Nähe der Rohrachse befindliche energiearme Luftanteil strömt durch eine in unmittelbarer Nähe der Diisü befindliche Blende 3 als Kaltluft ab. In den 1Landscliichteii strömt die Luft nach dem ent- gegengesetzten Rohrende hin und entweicht dort durch ein \-entil4 als Warmluft. Später hat R. H i 1 s c h (Zeitschrift für Naturforschung6i [i946]) durchAufsuchenoptimalerAbmessung an vorbeschriebener Versuchsanordnung beispielsweise erreicht, dlaß bei einem Druck von 6 atii und einem Kaltluftanteil von etwa einem Drittel der durch die Düse 2 einströmenden Luftnietige die Kaltlufttemperatur um 45° niedriger war als die Temperatur der einströmenden Luft. G. B u r k h a r d t (Zeitschrift für Naturforschung 3 a, ,46 bis 5i [i948]) versucht auf mathematischem Wege optimale Abmessungsverhältnisse zu ermitteln.Process for improving and applying the vortex tube effect The vortex ripening effect was designed by Georges R anque (Journal de 1'hysiclue [7] 112 [1933]) found. the The device used for this is shown in Figs. i and 2 shown. \ laii lets t in a cylindrical tube Air of several atmospheres pressure through the Flow in nozzle 2. The air partially relaxes wise in the nozzle and sometimes during the rotating generating flow in the direction of the pipe axis. As a result of energy exchange in the centrifugal field the kinetic energy flowing towards the center mending air partly to the outer layers transports and occurs there as heat. The in low energy located near the pipe axis Air fraction flows through one in the immediate vicinity the Diisü located aperture 3 as cold air. In the 1Landscliichteii, the air flows after the opposite pipe end and escapes there by a \ -entil4 as warm air. Later, R. H i 1 sch (Zeitschrift für Naturforschung6i [1946]), by searching for optimal dimensions using the test arrangement described above, achieved, for example, that at a pressure of 6 atii and a proportion of cold air of about a third of the air rivets flowing in through the nozzle 2, the cold air temperature was 45 ° lower was than the temperature of the incoming air. G. Burkhardt (Zeitschrift für Naturforschung 3 a,, 46 to 5i [1948]) tries to determine optimal dimensional relationships mathematically.

Jedenfalls verlaufen die Vorgänge stets so, daß die Kältemenge einerseits der Wärmemenge andererseits entspricht.In any case, the processes always proceed in such a way that the amount of cold, on the one hand, corresponds to the amount of heat, on the other hand.

Eine wesentliche Verbesserung des Wirbelrohreltektes wird erfindungsgemäß durch das im folgen deu beschriebene Verfahren erzielt, dessen Arbeitsweise an Hand der schematischen Abb.3 bis 9 erläutert ist. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man in einem Wirbelrohr das an der lZandzone befindliche warme Gas zwangsläufig von dem in Nähe der Rohrachse befindlichen kalten Gas trennt und/oder das in der Nähe der Rohrachse befindliche kalte Gas mittels eines entsprechend klein bemessenen Gasstrahls durch eine Blende fördert und/oder von dort absaugt, während der Warmgasanteil gekühlt wird, sobald er zur Vermehrung des Kalt- asanteils beitragen soll.A substantial improvement in the vortex tube effect is made according to the invention achieved by the method described in the following deu, its method of operation on hand the schematic figures 3 to 9 is explained. This procedure identifies by placing the warm at the land zone in a vortex tube Gas inevitably separates and / or from the cold gas located in the vicinity of the pipe axis the cold gas located in the vicinity of the pipe axis by means of a correspondingly small sized gas jet promotes through a diaphragm and / or sucks from there, while the hot gas portion is cooled as soon as it contributes to the increase in the cold gas portion target.

Bei der Arbeitsweise nach Abb. 3 und 4 wird das durch die Düse 2 einströmende Druckgas darin zum Teil entspannt und in einem in die Rohrkrümmung allmählich übergehenden Kanal 5 in drehende Bewegung versetzt, wie Pfeile in Abb. 4 zeigen. Durch einen Kegel 6 wird. das in der Randzone befindliche Gas gehindert, in das Gebiet des Kaltgases in der Rohrmitte einzudringen, wie der durch Pfeile gekennzeichnete Strömungsverlauf in Abb.3 angibt, so <laß <las Kaltgas mit tieferer Temperatur als bei <lern bisher bekannten Wirbelrohr durch die Blende 3 abströmt. Durch diese Arbeitsweise wird zugleich die bisher notwendige Baulänge des Wirbelrohres erheblich verkürzt.When working according to Fig. 3 and 4, the flowing in through the nozzle 2 is Compressed gas is partially relaxed in it and gradually merging into the pipe bend Channel 5 set in rotating motion, as shown by the arrows in Fig. 4. Through a Cone 6 becomes. the gas located in the edge zone is prevented from entering the area of the cold gas penetrate in the middle of the pipe, like the flow path indicated by arrows in Fig.3 indicates that <let <read cold gas with a lower temperature than <lern hitherto known vortex tube flows off through the diaphragm 3. Through this way of working at the same time the length of the vortex tube that was previously necessary is shortened considerably.

h:ine weitere wesentliche Verbesserung des Wirbelrohreffektes wird bei einer abgeänderten Arbeitsweise gemäß Abb. 5 und 6 erreicht. Das durch die Düse 2 einströmende, darin zum Teil entspannte Druckgas wird in einem in die Rohrkrümmung allmählich übergehenden Kanal 5 in drehende Bewegung versetzt. Durch einen zum Rohr i konzentrisch angeordneten hohlen Kern 7 wird das in der Randzone befindliche Gas, auf welches die Zentrifugalkraft einwirkt, veranlaßt, dem Druckgefälle vom Ringraum 8, zwischen Rohr i und Kern 7, nach dem Innenraum 9 des Kerns 7 zu folgen, durch öffnung r i in die Zone des auf niedrigen Druck entspannten Kaltgases einzutreten und mit diesem gemeinsam durch die Blende 3 abzuströmen. Die erforderliche Abkühlung des in den Ringraum 8 eintretenden heißen Gasanteils wird durch am Rohr i angebrachte Kühlflächen io bewirkt. Durch dieses Verfahren ist es nunmehr möglich, bei entsprechender Formgebung und Bemessung des Ringraumes 8, der öffnung i i und des Abstandes, letzterer von der Blende 3, nur einen geringen Bruchteil der Gasmenge aus der äußersten Randzone abzuführen, die dann gemäß der Wärmebilanz eine um so höhere Temperatur hat. Letztere ermöglicht einen großen Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel, so daß durch Wiedervereinigung der beiden Gasmengen eine Gesamtabkühlung bestehenbleibt, die der ausgetauschten Wärmemenge entspricht. Dabei wird die beim ursprünglichere Wirbelrohr erzielte maximale Temperatursenkung erheblich übertroffen.h: a further substantial improvement of the vortex tube effect achieved in a modified mode of operation according to Fig. 5 and 6. That through the nozzle 2 pressurized gas flowing in, which is partially relaxed in it, flows into the pipe bend in one gradually passing channel 5 set in rotating motion. Through one to the pipe i concentrically arranged hollow core 7 is the gas located in the edge zone, on which the centrifugal force acts, causes the pressure drop from the annulus 8, between tube i and core 7, to follow the interior 9 of the core 7 through opening r i to enter the zone of the cold gas expanded to low pressure and to flow away together with this through the diaphragm 3. The necessary cooling of the hot gas portion entering the annular space 8 is attached to the pipe i Causes cooling surfaces ok. With this procedure it is now possible, with the appropriate Shaping and dimensioning of the annular space 8, the opening i i and the spacing, the latter from the diaphragm 3, only a small fraction of the amount of gas from the outermost edge zone dissipate, which then has a higher temperature according to the heat balance. Latter allows a large heat exchange with the coolant, so that by reunification of the two gas quantities a total cooling remains, that of the exchanged Corresponds to the amount of heat. This is the maximum achieved with the original vortex tube Temperature reduction significantly exceeded.

Das vorstehend beschriebene Verfahren läßt sich in verschiedener Weise erweitern und kann erfindungsgemäß beispielsweise auf die Verflüssigung von Gasen ausgedehnt werden. Die Arbeitsweise des Verfahrens verläuft dann, wie Abb.7 schematisch zeigt, folgendermaßen. Das von einem nicht dargestellten Kompressor gelieferte Druckgas tritt bei 12 in einen Gegenstromwärmetauscher 13, in welchem es vorgekühlt wird. Im stationären Zustand bereits hierbei verflüssigte Gasanteile werden durch ein Ventil 14 mittels Bedienung eines Handrades 15 abgelassen. Der nicht verflüssigte Gasanteil wird in einem Wirbelrohr 16 entspannt. Dieses Wirbelrohr kann von der Bauart nach Abb.5 insofern abweichen, als die Kühlung wegfällt und man die durch den Ringraum 8 (Abb. 5 und' 6) strömende geringe heiße Gasmenge durch ein Ventil 17 abläßt. Die verflüssigten Gasanteile sammeln sich im Behälter 18, und der nicht verflüssigte und der wieder verdampfte Gasanteil strömen durch den Gegenstromwärmetauscher 13, das entgegenströmende Druckgas abkühlend, und durch einen Stutzen i9 ab.The method described above can be carried out in a number of ways expand and can according to the invention, for example, on the liquefaction of gases be expanded. The method of operation of the process is then shown schematically in Figure 7 shows as follows. The compressed gas supplied by a compressor, not shown enters a counterflow heat exchanger 13 at 12, in which it is pre-cooled. In the steady state, gas components that have already been liquefied here are replaced by a Valve 14 drained by operating a handwheel 15. The non-liquefied one Gas portion is expanded in a vortex tube 16. This vortex tube can be from the Design according to Fig.5 differ insofar as the cooling is omitted and you can get through the annular space 8 (Fig. 5 and '6) flowing small amount of hot gas through a valve 17 drains. The liquefied gas components collect in the container 18, and the not Liquefied and re-evaporated gas components flow through the countercurrent heat exchanger 13, cooling the pressure gas flowing in the opposite direction, and through a connection piece i9.

Weiterhin, können bei dem Verfahren erfindungsgemüß mehrere Wirbelrohre in Druckstufen hintereinandergeschaltet werden, wie beispielsweise Abb.8 zeigt, indem jeweils das abströmende kalte Gas in die Düse des nächsten Wirbelrohres eintritt und sich so stufenweise entspannt, was eine entsprechend größere Temperatursenkung ergibt.Furthermore, according to the invention, several vortex tubes can be used in the method can be connected in series in pressure stages, as shown in Figure 8, for example, in that the outflowing cold gas enters the nozzle of the next vortex tube and so gradually relaxes, resulting in a correspondingly greater temperature decrease results.

Ein ü abgeänderte Arbeitsweise des Verfahrens ergibt sich erfindungsgemäß durch die Schaltweise von mehreren Wirbelrohren gemäß Abb.9. Dabei wird einem Wirbelrohr 20 ein größerer Anteil Warmgas entnommen, in einem Kühler 2i abgekühlt und einem weiteren Wirbelrohr 22 zugeführt. Die von beiden Wirbelrohren abströmende Kaltgasmenge kann vereinigt werden oder das vom Wirbelrohr 22 abströmende Kaltgas kann, wie punktiert dargestellt, zur Vorkühlung des in das Wirbelrohr 20 einströmenden Druckgases benutzt werden.A modified mode of operation of the method results according to the invention through the switching of several vortex tubes as shown in Figure 9. This is a vortex tube 20 removed a larger proportion of hot gas, cooled in a cooler 2i and a further vortex tube 22 is supplied. The amount of cold gas flowing from both vortex tubes can be combined or the cold gas flowing off from the vortex tube 22 can, as shown in dotted lines shown, used to pre-cool the pressurized gas flowing into the vortex tube 20 will.

Die Anwendungsweise des Wirbelrohreffektes und seine Kombinationsmöglichkeiten sind erfindungsgemäß nicht auf die Beispiele der Abb. 7 bis 9 beschränkt, sondern man kann Wirbelrohre z. B. auch zur Luftkonditionierung oder bei der leichten Regelmöglichkeit des Kalt- und Warmluftanteils zur Temperierung von Klimaanlagen, selbst bei niedrigem Druck und gegebenenfalls dann in ihrer bisherigen noch nicht verbesserten Form, anwenden.The application of the vortex tube effect and its possible combinations are not limited according to the invention to the examples in Figs. 7 to 9, but you can vortex tubes z. B. also for air conditioning or with the easy control option the proportion of cold and warm air for controlling the temperature of air conditioning systems, even at low levels Print and, if necessary, then in its form that has not yet been improved, use.

Claims

PATENT CLAIMS: i. A method for improving and applying the vortex tube effect, characterized in that the hot gas located at the edge zone of a vortex tube is inevitably separated from the cold gas located in the vicinity of the tube axis and the latter is conveyed through a diaphragm and sucked off from there by means of a correspondingly small gas jet, while the hot gas portion is cooled before it contributes to the increase of the cold gas portion (Fig. 5 and '6).

2. A method for applying the vortex tube effect according to claim i, characterized in that that for the purpose of gas liquefaction, the compressed gas before entering a vortex tube (16, Fig. 7) through a countercurrent heat exchanger (13, Fig. 7), in which it is by means of of the cold gas proportion, which is relaxed in the vortex tube, and is kept as large as possible in countercurrent pre-cooled is, while one is kept as small as possible or equal to zero Hot gas is discharged through a controllable valve (i7, Fig.7).

3. Procedure for the application of the vortex tube effect according to claims i and z, characterized in that that two or more vortex tubes are connected in series (Fig.8) in such a way that that the cold gas portion of a compressed gas partially expanded in a vortex tube is further relaxed in a subsequent vortex tube.

4 .. Procedure for Application of the vortex tube effect according to claims 1 to 3, characterized in that that when a larger proportion of the hot gas is still under pressure, the from a vortex tube (2o, Fig. 9) via a cooler (2 i, Fig. 9) to another Vortex tube (22, Fig.9) is fed, after which either of the two vortex tubes outflowing cold gas quantities are combined or that from the second vortex tube (22, 9) outflowing cold gas for pre-cooling the in the first vortex tube (20, Fig. 9) incoming pressurized gas is used.

5. Method of using the vortex tube effect according to claims i to 4, characterized in that by means of the method in cooperation the air temperature and humidity is controlled with an air conditioning system.

6th Vortex tube for carrying out the method according to Claims 1 to 5, characterized in that that on the hot gas side of a vortex tube a cone (6, Fig. 3) in the axial direction is arranged, which inevitably separates the layers of the hot gas from those of the cold gas separates.

7. vortex tube for carrying out the method according to claim i, characterized in that a hollow core (7, Fig. 5) concentric on the hot gas side of a vortex tube is arranged, which inevitably separates the layers of the hot gas from those of the cold gas separates and the hot gas on the pipe wall equipped with cooling elements (io, Fig. 5) (i, Fig. 5) leads along, in such a way that the gas is cooled with falling pressure after the cavity (9, Fig. 5) of the core (7, Fig. 5) and through an opening (i i, Fig. 5) flows together with the cold gas through an orifice (3, Fig. 5).