42
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554 Mehmet YILMAZDoç. Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü Ömer ÇOMAKLI
Prof. Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü Mehmet KAYA
Dr., Türk Hava Yollarý Süleyman KARSLI
Yrd., Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi, Pasinler Meslek Yüksek Okulu
ÖZET ABSTRACT
1928 yýlýnda, bir metalurjist ve fizikçi olan Fransýz bilim adamý Since its discovery in 1928 by a Frenchman, metallurgist and phycsist Georges Joseph Ranque, the vortex tube has Georges Joseph Ranque tarafýndan keþfedilmesinden
been the subject of considerable interest both from the itibaren, vorteks tüpleri, teorik ve pratik uygulama açýsýndan
theoretical and practical application standpoints. These oldukça ilgi çeken bir konu olmuþtur. Yaygýn olarak
“Ranque-tubes, widely called “Ranque-Hilsch Vortex Tube”, have Hilsch Vorteks Tüpü” ismi ile anýlan bu tüpler günümüzde çok
found many applications and are being mass-çeþitli kullaným alanlarý bulmakta ve ticari firmalar tarafýndan
manufactured by commercial companies. First section of seri imalatlarý yapýlmaktadýr. Ýki bölümden oluþan makalenin
this article contains the classification of vortex tubes, the birinci bölümünde, vorteks tüplerin sýnýflandýrýlmasý, vorteks construction of vortex tubes, the working fluids in vortex tüplerin konstrüksiyonu, vorteks tüplerde kullanýlan akýþkanlar, tubes, the applications of vortex tube, and the vorteks tüplerin kullaným alanlarý ve vorteks tüplerin ticari commercial production of vortex tubes. The üretimi konularý incelenmiþtir. Ýkinci bölümü olan makalenin investigations on vortex tubes, the methods of bu bölümünde ise vorteks tüp araþtýrmalarý, vorteks tüp investigation on vortex tubes, energy separation mechanism, the parameters affecting performance, and inceleme yöntemleri, vorteks tüplerde enerji ayrýþmasý,
the performance of vortex tubes are described in detail in vorteks tüplerin performansýný etkileyen parametreler ve
this section of the article. vorteks tüplerin performansý konularý incelenmiþtir.
Keywords: Vortex tube, energy separation, performance, Anahtar Kelimeler: Vorteks tüpü, enerji ayrýþmasý, performans,
methods of investigation araþtýrma yöntemleri
VORTEKS TÜPLERÝ : 2 Enerji Ayrýþma Mekanizmasý ve Performans
Karakteristikleri
Giriþ
V
çalýþmalar; tüp uzunluðu ve çapý, giriþ lülesi orteks tüpler Ranque ve Hilsch'den sonra çok konfigürasyonu, giriþ lüleleri sayýsý, orifis çapý, giriþ basýncý,
sayýda araþtýrmaya konu olmuþ ve sýcaklýk ayrýþým g i r i þ s ý c a k l ý ð ý , t ü p ü e ð i m l i y a p m a v b . mekanizmasýný açýklamak ve performanslarýný parametre/tasarýmlarýn per formansa etkisini etkileyen optimum parametreleri belirlemek amacýyla çok belirlemeye yönelik araþtýrmalarý içermektedir.
sayýda araþtýrmalar yapýlmýþtýr. Vorteks tüplerle ilgili yapýlan (2) Ýç çalýþmalar: Ýç çalýþmalar; basýnç, hýz ve sýcaklýk çalýþmalar “deneysel çalýþmalar” ve “teorik çalýþmalar” profillerini ölçerek vorteks tüpü içerisindeki akýþý inceleyen
araþtýrmalardýr. olarak kategorize edilebilir. Deneysel çalýþmalar kendi
arasýnda “dýþ çalýþmalar” ve “iç çalýþmalar” olarak iki büyük sýnýfa ayrýlabilir [1, 2]:
(1) Dýþ çalýþmalar: Dýþ çalýþmalar, vorteks borusu Ranque, 1928 yýlýnda yüksek basýnçlý bir gaz akýmýnýn elemanlarýnýn geometrisini deðiþtirmenin çalýþma birisi giriþ gazýndan daha sýcak diðeri giriþ gazýndan daha karakteristiklerine etkilerini inceleyen araþtýrmalardýr. Bu soðuk düþük basýnçlý iki akýma ayrýlabileceðini keþfetmiþtir.
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554
43
Ranque, bu konuda 1932 ve 1934 yýllarýnda sýrasýyla Fransa tüpünün çalýþmasýnýn termodinamiðin ikinci yasasýna aykýrý olmadýðýný ispatlamýþtýr. Mischner ve Bespalov [7] ve Amerika'da patent almýþ ve Vortec adýnda ilk ticariRanque-Hilsch vorteks tüpünü, entropi üretimini baz alan firmayý kurmuþtur. 1946 yýlýnda Alman mühendis Dr. Rudolf
o
yeni bir yaklaþýmla simüle etmiþlerdir. Saidi ve Yazdi [8] Hilsch, birkaç atmosfer basýncýnda ve 20 C sýcaklýðýndaki
o o
vorteks tüpün boyutlarýný ve çalýþma koþullarýný optimize sýkýþtýrýlmýþ havanýn 200 C kadar sýcak ve -5 C kadar soðuk
etmek için ekserji analizini içeren yeni bir yaklaþým akýmlar üretebildiðini deneysel olarak ispatlamýþ ve bir
kullanmýþlardýr. hidrojen sývýlaþtýrma tesisinde vorteks tüp ile soðutma olayýný
Fulton, Deissler ve Perlmutter, Kurosaka, Lindestrom-baþarýlý bir þekilde uygulamýþtýr [1, 2]. Ranque ve Hilsch'ten
Lang, Stephan vd., Nabhani, Ahlborn vd., Fitouri vd., sonra vorteks tüpler, deneysel ve teorik birçok araþtýrmaya
enerji ayrýþmasý ile sýcaklýk ve hýz profillerinin teorik ve konu olmuþ, vorteks tüplerle iliþkili çok sayýda makale
analitik tanýmlamalarýyla iliþkili yaptýklarý çalýþmalarla yayýnlanmýþ ve patent alýnmýþtýr. Bu makalenin kapsamý
Ranque-Hilsch tüpün davranýþýnýn anlaþýlmasýna önemli bunlarýn tümünden bahsetmeye yeterli olmadýðýndan
katkýda bulunmuþlardýr [1, 2, 9-11]. aþaðýda önemli ve karakteristik olan bazý araþtýrmalar
Vorteks tüplerle ilgili ilk sayýsal akýþkanlar dinamiði özetlenmiþtir.
(SAD) çalýþmasý Khalil ve Assaf [12] tarafýndan yapýlan Rusya'da 1950'li yýllarýn baþlarýnda Odessa Institute of
karþýt akýþlý vorteks tüpün akýþ alanýnýn incelenmesine Refrigeration Technology'de Martynovskii ve Alexeev [3]
yönelik çalýþmadýr. Bundan sonra vorteks tüpünü SAD tarafýndan vorteks etkisiyle ilgili sistematik araþtýrmalar
yöntemleri kullanarak analiz eden çalýþmalar artmaya yapýlmýþtýr. Bu çalýþmalarda karþýt akýþlý bir vorteks tüpte
baþlamýþtýr. Frohlingsdorf ve Unger [13] CFX Code'unu giriþ lülesi konfigürasyonu, giriþ lüleleri sayýsý, orifis çapý,
kullanarak vorteks tüpündeki akýþý nümerik olarak simüle boru uzunluðu ve çapý, nem, giriþ basýncý, giriþ sýcaklýðý
etmiþlerdir. Aljuwayhel vd. [14] güç ayrýþma olayýný ve farklý gazlarýn etkisi araþtýrýlmýþtýr. Stechkin ve Dubinsky doðuran temel prosesleri anlayabilmek amacýyla ilk vorteks vakum aparatýný ve vorteks ejektörlerini vorteks tüpün SAD modelini baþarýlý bir þekilde geliþtirmiþ ve vorteks etkisiyle iliþkili teorik makaleler kullanmýþlardýr. Behera vd. [15] tarafýndan, SAD yayýnlamýþtýr [4]. Brodyansky ve Martynov'un yönettiði MEI kullanýlarak, lüle sayýlarýnýn, lüle arofillerinin, soðuk uç
çapýnýn, uzunluk/çap oranýnýn soðuk ve sýcak gaz (Moscow Power Engineering Institute) araþtýrma ekibi,
oranlarýnýn optimizasyonu yapýlmak suretiyle vorteks vorteks tüpler ve gaz separatörleriyle iliþkili araþtýrmalar
tüpünde yaptýklarý deney sonuçlarý ile karþýlaþtýrmýþlar ve yapmýþlardýr [4]. 1954 yýlýnda Westley “Bibliography and
SAD yöntemlerinin vorteks tüp dizayýnýnda ve vorteks Survey of the Vortex Tube” ismiyle bir literatür taramasý
tüplerin yeni uygulamalarda kullanýlmasýnýn yapmýþtýr [4]. Vorteks tüpünü silindirik yerine konik
belirlenmesinde baþarýlý bir þekilde kullanýlabileceðini yapmanýn etkilerini inceleyen çalýþmalar arasýnda
göstermiþlerdir. Sýnýrlý sayýdaki bu araþtýrmalara raðmen, Martynovskii ve Alekseev, Gulyaev, Raiskii ve Tunkel
vorteks tüplerindeki akýþ profillerini SAD yöntemleri tarafýndan yapýlan araþtýrmalar sayýlabilir [1, 2, 3]. kullanarak simüle etmeye yönelik ciddi teþebbüslerin Hartnett ve Eckert, Takahama, Bruun, Soni ve Thompson, yetersizliði ortadadýr.
Piralishvili ve Polyaev vorteks tüp parametreleriyle iliþkili önemli deneysel çalýþmalar yapmýþlardýr [1, 2, 4].
Lewins ve Bejan [5] vorteks tüp sistemi performansýný Türkiye'de vorteks tüplerle ilgili yapýlan araþtýrmalar Termodinamiðin birinci ve ikinci yasasýný kullanarak sýnýrlý sayýdadýr. Süleyman Demirel Üniversitesi'nde optimize etmiþtir. Silverman [6] basit bir analizle vorteks “Ranque- Hilsch Vor teks Tüpünün Endüstriyel
44
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554 Uygulamalarý” isimli bir proje yapýlmýþtýr [17]. Vorteks neden olmasý, bunun da yanlýþ ve çok çalkantýlý tüplerin endüstriyel amaçlarla kullaným imkanlarýnýn okumalara neden olmasý sayýlabilir. Bu zorluklarý ortadan araþtýrýlmasý amacýyla yapýlan projede, vorteks tüplerin kaldýrmanýn yolu, akýþ profilini incelemek için parçacýk fiziksel olaylarýndan yararlanýlarak, baca gazlarýnda görüntü hýz ölçeri (PIV, particle image velocimetry), lazer zararlý olarak bulunan hafif ve aðýr bileþenlerin doppler hýz ölçer (LDA, laser-doppler anemometry) ve ayrýþtýrýlmasý hedeflenmiþtir. Özgür [18], yüksek lisans tezkýzýlötesi kamera gibi akýþa yerleþtirilmeyen modern çalýþmasýnda; tüpe uygulanan basýnç, sýcak akýþ çýkýþ
y ö n t e m l e r k u l l a n m a k t ý r. B u y ö n t e m l e r a k ý þ ý vanasý kesit alaný, soðuk akýþ çýkýþ çapý, giriþ lülesi çapý
bozmamasýna raðmen, vorteks akýþ kapalý bir akýþ gibi vorteks tüplerin çalýþma kriterlerine etki eden
olduðundan tüplerin eðrisel yüzeylerinin neden olduðu faktörlerin performansa etkisini araþtýrmýþtýr. Özgür vd.
bozulan imaj problemleri oluþmaktadýr [1, 2]. [19] vorteks tüplerin soðutma amacýyla kullanýldýklarý
alanlarý ayrýntýlý olarak incelemiþlerdir. Usta vd. [20] vorteks tüpünde akýþkan olarak hava ile oksijeni
Vorteks akýþ alanýnýn bölgelerini nitel olarak k u l l a n d ý k l a r ý ç a l ý þ m a d a , s o ð u t m a s ý c a k l ý k
belirlemek için akýþ görüntüleme yöntemi çok kez performanslarýný deneysel olarak incelemiþlerdir. Hava
kullanýlmasýna raðmen, bunlarý nicel hale getirmek içinde bulunan O 'nin vorteks tüpündeki soðutmaya 2
nadiren baþarýlý olmaktadýr. Bu nedenle vorteks akýþ hýz etkisinin havaya göre deðiþimini incelemek amacýyla O 2
alaný genellikle aþaðýda açýklanan diðer yöntemler gazýný seçmiþlerdir. Dinçer vd. [21] giriþ ve çýkýþ kütlesel
kullanýlarak belirlenmiþtir [2]. debilerinin vorteks tüpünün performansýna etkisini
deneysel olarak incelemiþlerdir. Kaya [22] “Vorteks
Borusundaki Türbülanslý Dönmeli Akýþýn Çok Pozisyonlu
Bu yöntem, akýþtaki basýnç seviyesini ölçerek hýzlarý
Sýcak Tel Yöntemi Ýle Ýncelenmesi” ismiyle yaptýðý
belirleme yöntemidir. Basýnç ölçmek için pitot tüpü veya doktora tezinde tek eðimli sýcak tel probu için geliþtirilen
daha kompleks basýnç problarý kullanýlýr. Bu yöntemin çok pozisyonlu sýcak-tel yöntemini kullanarak vorteks
dezavantajlarý kalibrasyonlarýnýn zor olmasý ve dinamik borusunun hidrodinamik karakteristiklerini araþtýrmýþtýr.
yanýtlarýnýn olmamasýdýr. Okunan deðerler zaman Türkiye'de çeþitli yöntemlerle elde edilen dönmeli
ortalamalý deðerlerdir. Bazý problarýn büyük ebatlý oluþu akýþlarla iliþkili çok sayýda ýsý transfer ve akýþ
okunan deðerin alan ortalamalý deðer olmasýna ve probun karateristikleriyle ilgili çalýþmalar olmasýna raðmen,
akýþ alanýný bozmasýna neden olur. Bu etkileþim vorteks yazarlarca, Türkiye'de yukarýda belirtilenler dýþýnda
tüplerdeki akýþlarda özellikle önemlidir. Çünkü vorteks akýþlar vorteks tüpleriyle iliþkili çalýþmalara rastlanýlmamýþtýr.
fiziksel etkileþime karþý oldukça hassastýr. Türbülanslý akýþlarla kullanýldýðý zaman basýnç problarý nedeniyle; (i)- sabit yoðunluklu akýþlarda hýz ve basýnç çalkantýlarýnýn neden Vorteks tüplerin karakteristiklerini incelemek için çeþitli olduðu hatalar oluþur, (ii)- deðiþken yoðunluklu akýþlarda ise yöntemler kullanýlmaktadýr. Akýþý incelemek için problarýn hýz, basýnç ve yoðunluktaki türbülans çalkantýlarý nedeniyle tüpe girmesini gerektiren geleneksel yöntemler hatalar meydana gelir [2, 23].
kullanýldýðýnda büyük zorluklar oluþmaktadýr. Bu zorluklar arasýnda, subkritik akýþlarda atalet dalgalarýnýn probun
Sýcak-tel anemometresinin çalýþma prensibi, akýþ önünde ve arkasýndaki tüm akýþ profilini bozmasý, akýþýn
içerisine yerleþtirilmiþ ve elektriksel olarak ýsýtýlmýþ sýcak bir çok dönmesinin kendi iz bölgesinden etkilenmesine
Vorteks Tüp Ýnceleme Yöntemleri
Akýþ Görüntüleme Yöntemi
Basýnç Problarý
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554
45
tel veya filmden akýþkana taþýným yoluyla ýsý transferi tarafýndan bozulan imajý yorumlamadaki zorluklar ve esasýna dayanýr. Sýcak tel anemometre sistemleri; lazer sýnýrlý giriþi olan kapalý hacimleri aydýnlatmak ve doppler hýz ölçer gibi lazerli sistemlere göre oldukça fotoðrafýný çekmekte karþýlaþýlan geometrik sýnýrlamalar ucuz olmasý, sistemin frekans cevabýnýn (özellikle sabitgibi problemleri vardýr [1]. sýcaklýk anemometresi) çok yüksek olmasý, ölçüm
yapýlabilmesi için akýþ alanýna partikül enjekte edilmesine gerek olmamasý, sadece prob deðiþikliði
Son yýllarda, vorteks tüplerdeki enerji ayrýþma olayýnýn yapýlarak sýcaklýk veya iki, üç boyutlu akýþ ölçümünün
mekanizmasýný açýklayabilmek için sayýsal akýþkanlar mümkün olmasý gibi avantajlarýnýn yaný sýra, probun
dinamiðini (SAD) kullanmaya yönelik çabalar artmaktadýr. direkt olarak akýþ içerisine yerleþtirilmesinden dolayý akýþý
SAD modelleri, güç ayrýþým olayý, farklý akýþkanlarý, giriþ bozma olasýlýðýnýn bulunmasý, yüksek hýzlardan dolayý
sýcaklýk ve basýnçlarý, lüle açýlarý ve tüp geometrisi gibi telin kopma olasýlýðýnýn yüksek olmasý, katý yüzeylere çok
vorteks tüp performansýný etkileyen parametreleri yakýn bölgelerde ölçüm yapma zorluðu gibi
dezavantajlarý da bulunmaktadýr [2, 23]. araþtýrmak için güvenli bir þekilde kullanýlabilir. Bu parametrelerin etkilerini nümerik olarak araþtýrmak, vorteks tüpü imal edip dizayn deðiþimlerini test etmekten daha Lazer Doppler Hýz Ölçer (LDA, laser doppler
az zaman alýcý ve daha ekonomiktir [16].
anemometry), akýþý rahatsýz etmeden, akýþ içerisinde
asýlý duran yaklaþýk 1mm çapýndaki parçacýklarýn hareketlerinin doppler frekansý ile ölçülmesi prensibine
Vorteks tüplerde vorteks etkisi veya Ranque-Hilsch dayanýr. LDA; kullaným maliyetinin yüksek olmasýna
karþýn, akýþý rahatsýz etmemesi, bütün yönlerde hýz etkisi çok sayýda araþtýrmaya konu olmuþ ve bu etkinin bileþenlerinin ve Reynolds gerilmelerinin ölçülmesine varlýðý birçok deneysel çalýþma tarafýndan olanak saðlamasý, voltaj çýkýþýnýn hýz ile lineer olarak doðrulanmýþtýr. Hilsch, Deissler ve Perlmutter, Ahlborn vd., deðiþmesi, çözünürlüðün yüksek olmasý, kalibrasyon Kurosaka, Gutsol, Cockerill ve diðer araþtýrmacýlar gerektirmemesi gibi avantajlara sahip olmasý nedeniyle Ranque etkisini açýklamak için çeþitli teoriler ortaya tercih edilir. LDA, vorteks tüpe direkt uygulanabilir ve tüm
atmýþlardýr [1, 2, 10, 24, 27]. Sayýsý 10'u geçen bu akýþ alanýnýn haritasýnýn çýkarýlmasýný saðlayabilir. LDA'nýn
teorilere raðmen günümüzde bile bu etkinin kesin bir bu avantajlarýna raðmen, vorteks tüpün eðrisel yüzeyleri,
fiziksel açýklamasýný tatminkar bir þekilde yapan tam bir bazý optik problemler oluþturmaktadýr. Ayrýca, vorteks
teori halen mevcut deðildir. Bu teorilerin her birisi vorteks tüplerde kullanýmýnda, yüksek merkezkaç ivme
tüp cihazýnýn belli yönlerini açýklayabilirken, hiç birisi nedeniyle gaz akýþkana enjekte edilen tüm partiküller
sýcaklýk ayrýþmasýnýn optimizasyonuna olanak tanýyacak tüp cidarýna yakýn kalmakta ve saçýlma merkezleri
yeterli açýklayýcý güce sahip deðildir. Bu teoriler aþaðýda vorteks tüpün eksenel bölgelerine ulaþmamaktadýr. Bu
özetlenmiþtir. durum ise, borunun merkezine doðru olan akýþ hýzlarýnýn
1. Santrifüj Kuvvetler: Ranque 1932 yýlýnda aldýðý doðru ölçülmesini engelleyebilmektedir [1, 2, 23].
patentinde, dönen gazýn tüp cidarýnda kalýn bir tabaka oluþturduðunu, santrifüj kuvvet nedeniyle iç tabakalarýn Parçacýk görüntü hýz ölçerin (PIV, particle image dýþ tabakalar üzerine basýnç uyguladýðýný ve sýkýþtýrdýðýný
velocimetry) vorteks tüpün lens-benzeri eðrisel yüzeyleri belirtmiþtir. Bu sýkýþtýrma sonucunda dýþ tabakalar Sayýsal Akýþkanlar Dinamiði Analizi
Lazer Doppler Hýz Ölçer
Parçacýk Görüntü Hýz Ölçeri
46
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554 4- Katmanlý Akýþta Türbülanslý Isý Transferi: Schultz-ýsýnmakta ve ayný zamanda iç tabakalar geniþleyerekGrunow ve Linderstrom Lang sýcaklýk ayrýþmasýnýn soðumaktadýr [2].
2. Ýç sürtünme: Hilsch, giriþ alanýndaki vorteksin iç katmanlý akýþta türbülanslý ýsý transferi nedeniyle tabakalardaki basýncýn oldukça azalmasýna neden olduðunu ifade etmiþlerdir. Bu teoriye göre, enerji olacak þekilde bir basýnç daðýlýmý oluþturduðunu, ayrýþmasý, soðuk akýþ bölgesinden sýcak akýþ bölgesine
doðru olan ýsý transferi nedeniyledir. Bu ýsý transferi, sýcak basýncýn azalmasýnýn ise iç tabakalarda soðumaya yol
açtýðýný ifade etmiþtir. Hilsch'e göre ýsýtma, sürtünme akýþýn statik sýcaklýðýnýn, büyük kinetik enerjisi nedeniyle, soðuk akýþýn statik sýcaklýðýndan gerçekten daha az etkileri sonucu oluþmaktadýr. Daha sonra yapýlan
olduðu periyod esnasýnda oluþur [1, 2]. araþtýrma sonuçlarýnýn da teyit ettiði gibi, vorteks tüpte
5. Goertler Vorteksleri: Stephan vd. [9] yalýtýlmýþ ve sýkýþtýrýlmýþ dýþ tabakalar düþük hýzlara oysaki geniþlemiþ
yalýtýlmamýþ tüplerde yaptýklarý deneysel çalýþmalarda olan iç merkezi tabakalar ise büyük hýzlara ve dolayýsýyla
enerji ayrýþmasýnýn temel nedeninin Gortler vorteksi yüksek kinetik enerjiye sahiptirler. Bu hýz daðýlýmý, farklý
olduðunu ifade etmiþlerdir. Gortler vorteksleri, konkav tabakalar arasýnda yüksek sürtünmeye neden olmakta
cidarlar üzerinde teðetsel akýþ tarafýndan üretilen bir sýnýr ve bunun sonucunda ise enerji, iç tabakalardan dýþ
tabaka olayýdýr. tabakalara doðru radyal olarak iletilmektedir [1, 2].
6. Ýþ Yapan Akýþkanýn Sýkýþtýrýlabilirliði: Amitani vd. 3. Akustik Etki: Kurosaka [24] 1982 yýlýnda vorteks
[25] sýcaklýk ayrýþmasýný, iþ yapan akýþkanýn tüpündeki enerji ayrýþmasýna farklý bir mekanizmanýn
sýkýþtýrýlabilirliðine baðlamýþlardýr. neden olduðunu önermiþ ve bunu deneylerle
7- Ýç Bölgelerdeki Akýþkanýn Dýþ Bölgedeki Akýþkan desteklemiþtir. Çok gürültülü hava, jet motoru veya
Üzerinde Ýþ Yapmasý: Vorteks tüplerin çalýþmasýyla iliþkili vakum temizleyicide olduðu gibi vorteks tüpünden
en yaygýn kabul edilen teori, Fulton tarafýndan ifade türbülanslý bir þekilde büyük bir gürültüyle akar. Bu
edilen ve Hilsch'in teorisine benzer olan teoridir. Gaz gürültünün içinde "vortex whistle" olarak adlandýrýlan saf
akýmý tüp giriþ lülelerinden geçerek yüksek hýzla tüpe bir ton vardýr. Vortex whistle, gazýn sabit bir tüpe teðetsel
teðetsel olarak girer ve tüpün silindirik formu nedeni ile giriþi ve dönmesiyle üretilebilir. Kurosaka'ya göre, vorteks
dönmeye baþlar. Böylece tüp cidarý yakýnýndaki tüpündeki sýcaklýk ayrýþmasýna bu saf ton neden
çevresel bölgede serbest vorteks oluþur. Çok yüksek olmaktadýr. Daimi olmayan tedirginliklerin olmamasý
açýsal hýzlarda dönen akýþ, merkezkaç kuvvetin etkisi ile durumunda, hava, boru ekseni civarýnda serbest vorteks
tüp cidarýna doðru açýlmaya zorlanýr. Bu etki neticesinde olarak akar; havanýn hýzý merkezde sýfýra yakýn bir
tüp merkezindeki basýnç ile tüp cidarýndaki basýnç deðerdedir, orta yarýçap civarýnda maksimum olur ve
arasýnda fark oluþur. Tüp cidarý ile tüp merkezi arasýnda cidar civarýnda küçük bir deðere düþer. Bununla birlikte,
oluþan basýnç farký nedeni ile tüp merkezine doðru akustik etki, hava hýzýnýn merkezden çevreye lineer olarak
radyal akýþ olur. Merkeze gelen akýþýn açýsal hýzý, açýsal arttýðý bölgede serbest vorteksi zorlanmýþ vortekse
momentumun korunumu ilkesi gereðince tüp dönüþtürür. Sadece statik santrifüj etki deðil, akustik etki
cidarýndaki akýþýn açýsal hýzýndan daha yüksek ve zorlanmýþ vorteks üretimi de Ranque-Hilsch etkisine
deðerlere ulaþýr. Bu sebepten dolayý tüp içerisinde iki neden olur. Akustik etkinin, enerji ayrýþmasýnda
farklý hýzda dönen iki akýþ oluþur. Merkezdeki akýþ daha türbülanstan çok daha etkin olduðu deneysel sonuçlar
yüksek hýza sahip olduðundan cidardaki akýþý ile de desteklenmiþtir.
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554
47
ivmelendirmeye çalýþýr. Bu durumda merkezdeki akýþtan olduðunu ifade etmiþlerdir. 2000 yýlýnda ise yeni cidardaki akýþa mekanik enerji transferi gerçekleþir. teorilerini, adyabatik geniþleme ve sýkýþtýrma prosesli Mekanik enerjisinde azalma olan merkezdeki akýþ, soðuk klasik termodinamik çevrim olarak sunmuþlardýr [26].9. Özel Ýþ Yapan Akýþkan Ýle Ýliþkili Etkiler: Erdelyi soðuk akýþý; cidardaki sürtünme enerjisinin etkisi ile ve
ve sýcak gazýn sýcaklýklarý arasýndaki farkýn sadece kullanýlan merkezdeki akýþtan aldýðý mekanik enerjinin etkisiyle de
gazýn tipine baðlý olduðunu ifade etmiþlerdir [1, 2]. cidardaki akýþ, sýcak akýþý oluþturur. Ayný zamanda,
10. Durgun Elemanlarýn Santrifüj Ayrýþmasý ve vorteksin merkezi, dýþ tabakalardan daha soðuk
Adyabatik Geniþlemesi: Gutsol [27] durgun olduðundan içe doðru bir ýsý transferi gerçekleþir.
elemanlarýn santrifüj ayrýþmasý ve adyabatik Vorteksin merkezine doðru oluþan ýsý akýþý, merkezden
geniþlemesinin vorteks tüp sisteminde enerji ayrýþmasýna dýþarý doðru olan iþ akýþýndan daha düþük hýzda
neden olduðunu öne sürmüþtür. gerçekleþir. Bu olayýn sonucu olarak, dýþ gaz tabakalarý,
11. Vorteks Tüpündeki Entropi Üretimi: Mischner ve kaybettikleri ýsý enerjisinden daha fazla kinetik enerji
Bespalov [7] enerji ayrýþmasýyla iliþkili farklý bir teori ortaya alýrlar. Bu iç enerjiye dönüþür, durma sýcaklýklarý yükselir ve
atmýþlardýr. Bu teoride, enerji ayrýþmasýnýn nedeni, vorteks kýsma valfinden yüksek sýcaklýða sahip gaz akýmý olarak
tüpündeki entropi üretimine baðlanmýþtýr. tüpten çýkarlar. Tersine, eksenel gaz tabakalarý aldýklarý ýsý
enerjisinden daha fazla kinetik enerji kaybederler. Bu, tüpe girerken geniþleme sonucu soðutulduklarý gerçeðiyle birlikte, durma sýcaklýklarýnýn azalmasýna ve orifisden düþük sýcaklýklý gaz olarak tüpü terk etmelerine
Vo r t e k s t ü p l e r i n p e r f o r m a n s ý n ý e t k i l e y e n neden olur (Þekil 1) [1, 2, 13].
parametreler; baðýmlý ve baðýmsýz parametreler olarak kategorize edilebilir. Baðýmsýz ve baðýmlý parametrelere ait deðiþkenlerin neler olduðu Tablo 1'de toplu halde verilmiþtir.
Vorteks tüplerle ilgili yapýlan araþtýrmalarda çok farklý tüp boyutlarý ve çalýþma koþullarý kullanýlmýþtýr. Deneysel çalýþmalarda kullanýlan vorteks tüplerinin çapý ve uzunluðu geniþ bir aralýkta deðiþmekte, lüleler ve orifislerin boyutlarýnda ve konfigürasyonlarýnda oldukça farklýlýklar görülmektedir. Bu nedenlerle, tüm çalýþmalar için geçerli olabilecek ortak sonuçlar çýkarmanýn zorluklarý ortadadýr. Buna karþýn, vorteks tüplerin 8. Isý Pompasý Mekanizmasý: Ahlborn vd. 1994 performansýyla iliþkili olarak günümüze kadar yapýlan yýlýnda vorteks tüpündeki sýcaklýk farkýnýn esas olarak çalýþmalardan çýkarlabilecek bazý önemli sonuçlar
kategorize edilerek Tablo 2'de özetlenmiþtir. normalize edilmiþ basýnç düþümüne ve gaza baðlý
Vorteks Tüplerin Performansýný
Etkileyen Parametreler
Vorteks Tüplerin Performansý
w > w
c hTüp Cidarý
Þekil 1. Vorteks Tüpünde Radyal Enerjinin Þematik Gösterimi (EM mekanik enerji akýsý, ED: Difüz enerji akýsý)
Tablo 1. Vorteks Tüplerin Performansýný Etkileyen Baðýmlý/Baðýmsýz Parametreler [1]
48
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554Teþekkür: Bu makale Atatürk Üniversitesi Araþtýrma Soðutma Tekniðinde Kullanýlmasý” isimli projeler Fonu tarafýndan desteklenen 2005/20 nolu “Vorteks kapsamýnda hazýrlanmýþtýr. Yazarlar, destekleri nedeniyle Tüplerin Soðutma Tekniðinde Kullanýlmasý” ve TÜBÝTAK Atatürk Üniversitesi Araþtýrma Fonu ve TÜBÝTAK'a teþekkür tarafýndan desteklenen 105M028 nolu “Vorteks Tüplerin ederler.
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554
49
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554
51
Kaynakça
1. T. Coccerill,
16. H.M. Skye, G.F. Nellis, S.A. Klein, 2. N. Nabhani,
17. Ý. Üçgül, 3. V.S. Martynovskii and V.P. Alekseev,
4. Sh.A. Piralishvili, and V.M. Polyaev, 18. A.E. Özgür,
5. J. Lewins A. Bejan, 19. A.E. Özgür, R. Selbaþ, Ý. Üçgül, “ 6. M.P. Silverman,
20. H. Usta, K. Dinçer, V. Kýrmacý, 7. J. Mischner, V.I. Bespalov,
21. K. Dinçer, Þ. Baþkaya, Ý. Üçgül, B. Z. Uysal, 8. M.H. Saidi, and M.R. Yazdi,
9. K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang, and D. Seher,
22. M. Kaya,
10. B. Ahlborn, J.U. Keller, R. Staudt, G. Treitz, and E. Rebhan,
23. H.H. Bruun, 24. M Kurosaka. 11. A. Fitouri, M.K. Khan, H.H. Bruun,
25. T. Amitani, T. Adachi and T. Kato, 12. E.E. Khalil and H.M.W. Assaf.,
26. B. Ahlborn, JM. Gordon,
13. W. Fröhlingsdorf, and H. Unger, 27. AF. Gutsol,
28. P.K. Singh, R.G. Tathgir, D. Gangacharyulu, G.S. Grewal, 14. N.F. Aljuwayhel, G.F. Nellis, S.A. Klein,
29. K. Singh, 15. U. Behera, P.J. Paul, S. Kasthurirengan, R. Karunanithi, S.N. 30. B. A. Shannak,
Ram, K. Dinesh, S. Jacob,
Investigations Towards Optimizing the Parameters of RanqueHilsch Vortex Tube”, International Journal of Heat
“Thermodynamics and Fluid mechanics of a and Mass Transfer, 48. 1961 1973, 2005.
RanqueHilsch Vortex tube”, MSc thesis, University of “Comparison of CFD
Cambridge, 1998. Analysis to Empirical Data in a Commercial Vortex Tube”,
“Hot-wire Anemometry Study of Confined International Journal of Refrigeration, In Press, Corrected
Turbulent Swirling flow”, PhD Thesis, Bradford University, Proof, 2005.
Bradford, U.K., 1989. “Ranque-Hilsch Vorteks Tüpünün Endüstriyel
“Investigation of the Uygulamalarý”, Süleyman Demirel Üniversitesi Araþtýrma
Vortex Thermal Separation Effect for Gases and Vapors”, Projeleri Yönetim Birimi (SDÜBAP) Proje No: 03-M-658,
Soviet Physics : Technical Physics, 26(2):pp. 22332243, 1957. Isparta, 2003.
“Flow and “Vorteks tüplerin Çalýþma Kriterlerine Etki Eden
Thermodynamic Characteristics of Energy Separation in a Faktörlerin ve Endüstrideki Kullaným Alanlarýnýn Tespiti”,
Double-Circuit Vortex Tube - An Experimental Investigation”, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen
Experimental Thermal and Fluid Science, 12, 399-410, 1996. Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2001.
“Vortex Tube Optimization Theory”, Vorteks Tüpler Ýle Soðutma
Energy,24: 931-943, 1999. Uygulamalarý”, V. Ulusal Tesisat Mühendisliði Kongresi ve
Sergisi, 387-397, 2001. “The Vortex Tube: a Violation of the Second
Law”, Eur. J. Phys. 3, 88-92, 1982. “Vorteks Tüpünde Akýþkan
Olarak Kullanýlan Hava Ýle Oksijenin Soðutma Sýcaklýk “On the Entropy Generation in
Performanslarýnýn Deneysel Ýncelenmesi”, Teknoloji, Cilt 7, the Ranque-Hilsch tube“, Forshung im Ingenieurwesen 67,
Sayý 3, 415-425, 2004. 1-10, 2002.
“Giriþ ve Çýkýþ “Exergy Model of a Vortex Tube
Kütlesel Debilerinin Bir Vorteks Tüpün Performansýna Etkisinin System With Experimental Results”, Energy, 24. 625-632, 1999.
Deneysel Ýncelenmesi”, 14. Ulusal Isý Bilimi Ve Tekniði “A
Kongresi, Isparta, 3-5 Eylül 2003. Similarity Relation For Energy Separation In A Vortex Tube”,
“Vorteks Borusundaki Türbülanslý Dönmeli Akýþýn Çok International Journal of Heat and Mass Transfer, 27(6):pp.
Pozisyonlu Sýcak Tel Yöntemi Ýle Ýncelenmesi”, Doktora Tezi, 911920, 1984.
Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, 2005. “Hot-Wire Anemometry”, Oxford University “Limits of Temperature Separation in a vortex tube”, J.
Press, 1995. Phys.D: Appl. Phys., 27:pp. 480488, 1994.
“Acoustic Streaming in Swirling Flow and the “A Multiposition Hot-Wire
Ranque-Hilsch Vortex Tube Effect”, J. Fluid Mech., 124. Technique for the Study of Swirling Flows In Vortex
139-172, 1982. Chambers”, Experimental Thermal and Fluid Science, 10,
142-151, 1995. “A study on Temperature
Separation in a Large Vortex Tube”, Japan. Soc. Mech. “Computer Modelling of
Eng., 49, 877-884, 1983. Turbulent Recirculating Flows in Engineering
Applications”, In Proceedings of the Second International “The Vortex Tube as a Dassic
Conference on Numerical Methods in Laminar and Thermodynamic Refrigeration Cycle”, J Appl Phys; 88(6):
Turbulent Flow, Venice, 1981. 3645, 2000.
“Numerical investigations “Vortex effect”, Journal of Physical
of the Compressible Flow and the Energy Separation in the Successes;167 (6):665 687, 1997.
Ranque-Hilsch Vortex Tube”, International Journal of Heat
and Mass Transfer, 42, 415-422, 1999. “An Experimental Performance Evaluation of Vortex Tube”,
“Parametric and IE (I) Journal MC, Vol 84, 149-153, 2004.
Internal Study of the Vortex Tube Using a CFD Model”, Int J “Ranque-Hilsch Vortex Tube”, Online. Available:
Refrigeration 28 (3) 442450, 2005. http://sps.nus.edu.sg, 20 October 2005.
“Temperature Separation and Friction Losses
“CFD Analysis and Experimental in Vortex Tube”, Heat and Mass Transfer 40 779785, 2004.
