فهرست:
1-1 رانکیو-هیلش ورتکس تیوب 1
1-2 تحقیقات رانکیو 2
1-3 تحقیقات هیلش 3
1-4 ورتکس تیوب مخروطی یا واگرا 4
1-5 ساختار کلی دستگاه 5
1-6 مزایا و معایب ورتکس تیوب 6
1-6-1 مزیتهای عمده ورتکس تیوب 6
1-6-2 برخی معایب ورتکس تیوب 7
1-7 ورتکس تیوبهای تجاری 7
1-8 کاربردهای ورتکس تیوب 7
1-8-1 خنک کاری موضعی 7
1-8-2 گرمایش موضعی 8
1-8-3 خنک کننده هوای شخصی 9
1-8-4 کاربرد به عنوان یک سیستم جدا کننده رسوب 9
1-8-5 کاربرد به عنوان یک سیستم پالاینده در صنایع نفت و گاز 9
1-8-6 کاربرد در جوشکاری اولتراسونیک 10
1-9 کارهای آزمایشگاهی 10
1-10 ساختار کلی پایان نامه 11
فصل دوم: مروری بر کارهای گذشته
2-1 تحقیقات آزمایشگاهی بر روی ورتکس تیوب 13
2-1-1 پارامترهای ترموفیزیکی 13
2-1-2 پارامترهای هندسی 14
2-2 تحقیقات تئوری بر روی ورتکس تیوب 15
2-2-1 مدل تراکم و انبساط آدیاباتیک 15
2-2-2 اثر اصطکاک و توربولانس 15
2-2-3 مدل جریان آکوستیک 16
2-2-4 مدل چرخش ثانویه 17
2-3 تحقیقات عددی بر روی ورتکس تیوب 19
2-3-1 محل نقاط سکونی طولی و شعاعی داخل ورتکس تیوب 19
2-4 بررسی نازلهای تزریق دستگاه 20
2-4-1 تحقیقات آزمایشگاهی بر روی نازلهای تزریق دستگاه ورتکس تیوب 21
2-5-2 مطالعات عددی بر روی نازلهای تزریق دستگاه ورتکس تیوب 22
فصل سوم: تجزیه و تحلیل نظری ورتکس تیوب
3-1 بررسی ترمودینامیکی ورتکس تیوب 24
3-1-1 قانون اول ترمودینامیک 26
3-1-2 قانون دوم ترمودینامیک 26
3-2 مدل چرخش ثانویه آلبرن 29
3-2-1 مدل چرخش ثانویه آلبرن (مدل مبدل حرارتی) 29
3-2-2 مدل اصلی چرخش ثانویه آلبرن 31
3-2-3 تفسیر مدل آلبرن 32
3-2-4 مدل آلبرن اصلاح شده 33
فصل چهارم: مدل عددی بررسی شده
4-1 شبیه سازی عددی ورتکس تیوب 38
4-1-1 معادلات حاکم 38
4-1-2 مدلسازی توربولانس 39
4-2 توصیف هندسی ورتکس تیوب مدل شده 41
4-3 شرایط مرزی 42
4-3-1 ورودی (Inlet) 42
4-3-2 خروجی سرد (Cold Exit End) 43
4-3-3 خروجی گرم (Hot Exit End) 43
4-3-4 دیواره ورتکس تیوب (Wall) 43
4-4 اهداف و دورنمای بررسی و تحقیق عددی 43
4-5 بررسی استقلال نتایج عددی از مش بندی 44
4-6 بررسی مدل توربولانس 45
4-7 مقایسه نتایج عددی با تجربی و اعتباردهی به نتایج عددی 46
4-8 بررسی قانون دوم ترمودینامیک برای ورتکس تیوب 47
فصل پنجم: بررسی تأثیر ابعاد نازلهای تزریق بر عملکرد دستگاه ورتکس تیوب
5-1
بررسی تأثیر ارتفاع نازل بر دمای خروجی سرد و گرم دستگاه
49
5-2
مفهوم جریان برگشتی در ورتکس تیوب
53
5-3
بررسی عدد ماخ داخل محفظه چرخش در حالات مختلف ارتفاع نازل
54
5-4
بررسی تناظر بین فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه
55
5-5
بررسی تأثیر سطح مقطع مستطیلی ورودی نازل بر روی جدایش دمایی سرد دستگاه
58
5-6
توزیع دما و خطوط مسیر
60
5-7
بررسی مولفه چرخشی سرعت و ماکزیمم مقدار آن
61
5-8
نرخ توان سرمایشی و گرمایشی
62
5-9
تحلیل عدد ماخ و فشار کل در مدل حالت بهینه و اسکای و همکاران[66]
63
فصل ششم: نتایج و پیشنهادات
6-1 خلاصه نتایج 66
6-2 پیشنهاد برای کارهای آتی 68
فهرست منابع و مأخذ 69
منبع:
Fulton, C.D., (1950). “Ranque's Tube”. Journal of the American Society of Refrigeration Engineering, 5, pp. 473–479.
Stong, C. L., (1962). “The "Hilsch" Vortex Tube”, pp. 514–519. The Amateur Scientist, Heinemann Educational Books, Chapter IX, Section 4.
AiRTEX International Ltd. How Vortex Tubes Work. Available from: http://www.airtexinternational.com.
Ranque, G. L., (1934). “Method and Apparatus for Obtaining from a Fluid under Pressure Two Currents of Fluids at Different Temperatures”. U.S. Patent, 1952281.
Exair. Vortex Tubes and Spot Cooling Products. Available from: http://www.exair.com.
Hilsch, R., (1947). “The Use of the Expansion of Gases in a Centrifugal Field as a Cooling Process”. Review of Scientific Instruments, 18(2), pp.108–113.
Gao, C. M., (2005). Experimental Study on the Ranque - Hilsch Vortex Tube, PhD Thesis, Technische Universiteit Eindhoven.
Khodorkov, L., Poshernev, N.V., and Zhidkov. M.A., (2003) “The vortex tube a universal device for heating, cooling, cleaning, and drying gases and separating gas mixtures”. Chemical and Petroleum Engineering, 39(7-8), pp. 409–415.
Exair. Vortex Tubes and Spot Cooling Products. Available from: http://www.exair.com/vortextube/vt page.htm.
ITW Air Management, Vortec Air Guns. Available from: http://www.vortec.com.
Akhesmeh, S., Pourmahmoud, N., and Sedgi, H., (2008). “Numerical Study of the Temperature Separation in the Ranque-Hilsch Vortex Tube”. American Journal of Engineering and Applied Sciences, 3, pp. 181–187.
Bramo, A.R., and Pourmahmoud, N., “CFD Simulation of Length to Diameter Ratio Effect on The Energy Separation in a Vortex Tube”. Thermal Science, In Press.
Pourmahmoud, N., and Bramo, A.R., (2011). “The Effect of L/D Ratio on The Temperature Separation in The Counter Flow Vortex Tube”. IJRRAS, 6, pp. 60–68.
Bramo, A.R., and Pourmahmoud, N., (2010). “A Numerical Study on The Effect of Length to Diameter Ratio and Stagnation Point on The Performance of Counter Flow Vortex Tube”. Aust. J. Basic & Appl. Sci., 4, pp. 4943–4957.
Pourmahmoud, N., Hassan Zadeh, A., Moutaby, O., and Bramo, A.R., “CFD Analysis of Helica Nozzles Effects on the Energy Separation in a Vortex Tube”. Thermal Science journal, In Press.
Linderstrom-Lang, C. U., (1967). “On gas separation in Ranque-Hilsch vortex tubes”. Z. Naturforschg., 22(a), pp. 835–837.
Marshall. J., (1977). “Effect of operating conditons, physical size and fluid characteristics on the gas separation performance of a Linderstrom-Lang vortex tube”. Int. J. Heat Mass Transfer, 20, pp. 227–231.
Raterman, K.T. Mckellar, M.A. Podgomey, Stacey, D. and Turner, T. (2001). A vortex contactor for carbon dioxide separations. In: First National Conference on CarbonSequestration, May, U.S.A.: National Energy Technology Laboratory.
Kulkarni, M.R., and Sardesai, C.R., (2002). “Enrichment of Methane concentration via separation of gases using vortex tubes”. J. Energy Engrg, 128(1), pp. 1–12.
Poshernev, N.V., and Khodorkov, I.L., (2004). “Natural-gas tests on a conical vortex tube (CVT) with external cooling”. Chemical and Petroleum Engineering, 40(3-4), pp. 212–217.
Takahama, H., Kawamura, H., Kato, S., and Yokosawa. H., (1979). “Performance characteristics of energy separation in a steam-operated vortex tube”. Int. J. Engng Sci., 17, pp. 735–744.
Collins, R.L., and Lovelace, R.B., (1979). “Experimental study of two-phase propane expanded through the Ranque-Hilsch tube”. Trans. ASME, J. Heat Transfer, 101, pp. 300–305.
Balmer, R.T., (1988). “Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids”. Trans. ASME, J. Fluids Engineering, 110, pp. 161–164.
Cockerill. T., (1995). Ranque-Hilsch vortex tube. M.Sc Thesis, University of Cambridge.
Takahama, H., (1965). “Studies on vortex tubes (1) experiments on efficiency of energy separation (2) on profiles of velocity and temperature”. Bulletin of JSME, 8(31), pp. 433– 440.
Ahlborn, B., and Groves, S., (1997). “Secondary flow in a vortex tube”. Fluid Dynamics Research, 21, pp. 73–86.
Gao, C.M., Bosschaart, K.J., Zeegers, J.C.H., and de Waele, A.T.A.M., (2005). “Experimental study on a simple Ranque-Hilsch vortex tube”. Cryogenics, 45(3), pp. 173–181.
Eiamsa-ard, S., and Promvonge, P., (2008). “Numerical simulation of flow field and temperature separation in a vortex tube”, International communications in Heat and Mass Transfer, 35, pp. 937–947.
Gutsol, A., (1997). “The Ranque effect”. Physics-Uspekhi, 40(6), pp. 639–658.
Leont’ev. A.I., (2002). “Gas-dynamic methods of temperature stratification (a Review)”. Fuild Dynamics, 37(4), pp. 512–529.
Fulton, C.D., (1950). “Comments on the vortex tube”. J. ASRE Refrigerating Engng, 58, pp. 984–995.
Lay, J.E., (1959). “An experimental and analytical study of vortex-flow temperature separation by superposition of spiral and axial flow”. Trans. ASME J. Heat Transfer, 81, pp. 213–222.
Kreith, F., and Margolis. D., (1959). “Heat transfer and friction in turbulent vortex flow”. Flow, Turbulence and Combustion, 8(1), pp. 457–473.
Alimov, R.Z., (1966). “Flow friction and heat and mass transfer in a swirled flow”. Journal of Engineering Physics and thermophysics, 10(4), pp. 251–257.
Reynolds, A.J., (1960). Studies of Rotating fluids a) Plane Axisymmetric Flow, b) Forced Oscillations in a Rotating fluid, c) The Ranque-Hilsch Vortex Tube. PhD Thesis, University of London.
Reynolds, A.J., (1962), “A note on vortex-tube flow”. J. Fluid Mech., 14, pp. 18–20.
Deissler, R.G., and Perlmutter, M., (1960). “Analysis of the flow and energy separation in a turbulent vortex”. Int. J. Heat Mass Transfer, 1, pp. 173–191.
Van Deemter, J.J., (1951). “On the theory of the Ranque-Hilsch cooling effect”. Appl. Sci. Res., 3, pp. 174–196.
Sibulkin, M., (1961). “Unsteady, viscous, circular flow part 3. application to the Ranque-Hilsch vortex tube”. J. Fluid Mech., 12, pp. 269–293.
Lewellen, W.S., (1962). “A solution for three-dimentional vortex flows with strong circulation”. J. Fluid Mech., 14, pp. 420–432.
Parulekar, B.B., (1961). “The Short Vortex Tube”. Journal of Refrigeration, 4, pp. 74–80.
Kurosaka, M., (1982). “Acoustic streaming in swirling flow and the Ranque-Hilsch vortex tube effect”. J. Fluid Mech., 124, p. 139–172.
Scheper, G.W., (1951). “The vortex tube–internal flow data and a heat transfer theory”. J. ASRE Refrigerating Engng, 59, pp. 985–989.
Aljuwayhel, N.F., Nellis, G.F., and Klein, S.A., (2005). “Parametric and internal study of the vortex tube using a CFD model”. International Journal of Refrigeration, 28(2), pp. 442–450.
Amitani, T., Adachi, T., Kato, T.A., (1983). “Study on temperature separation in a large vortex tube”. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 48, pp. 877–884.
Takahama, H., and Yokosawa. H., (1981). “An experimental study of vortex tubes (where the vortex chamber includes a divergent tube)”. Research.
Bruun, H.H., (1969). “Experimental Investigation of the Energy Separation in Vortex Tubes”. Journal of Mechanical Engineering Science, 11(6), pp. 567–582.
Stephan, K., Lin, S., and Drust, M., (1983). “An investigation of energy separation in a vortex tube”. International J. of Heat and Mass Transfer, 26(3), pp. 341–348.
Saidi, M.H., Valipour, M.S., (2003). “Experimental modeling of vortex tube refrigerator”. Appl. Therm. Eng., 23, pp. 1971–1980.
Arslan, S., (2002). Vortex tube applications in Micro-Power generation. M.Sc Thesis, Rutgers University.
Singh, P.K., Tathgir, R.G., Gangacharyulu D., and Grewal, G. S., (2004). “An experimental performance evaluation of vortex tube”. IE (I) Journal.MC, 84, pp. 149–153.
Aydin, O., and Baki, M., (2006). “An experimental study on the design parameters of a counter flow vortex tube”. Energy, 31(14), pp. 2763–2772.
Wu, Y.T., Ding, Y., Ji, Y.B., Ma, C.F., and Ge, M.C., (2007). “Modification and experimental research on vortex tube”. Int. J. Refrigeration, 30, pp. 1042-1049.
Dincer, K., Tasdemir, S., Baskaya, S., and Uysal, B.Z., (2008). “Modeling of the effects of length to diameter ratio and nozzle number on the performance of counterflow Ranque–Hilsch vortex tubes using artificial neural networks”. Appl. Therm. Eng, 28, pp. 2380–2390.
Kirmaci, V., and Uluer, O., (2009). “An experimental investigation of the cold mass fraction, nozzle number and inlet pressure effects on performance of counter flow vortex tube”. Journal of Heat Transfer-Transactions of the Asme, 8(131), pp. 603–609.
Dincer, K., Baskaya, S., Uysal, B.Z., and Ucgul, I., (2009). “Experimental investigation of the performance of a Ranque-Hilsch vortex tube with regard to a plug located at the hot outlet”. Int. J. Refrigeration, 32, pp. 87–94.
Pinar, A.M., Uluer, O., and Kirmaci, V., (2009). “Optimization of counter flow Ranque-Hilsch vortex tube performance using Taguchi method”. Int. J. Refrigeration, 32, 1487–1494.
Eiamsa-ard, S., (2010). “Experimental investigation of energy separation in a counter-flow Ranque-Hilsch vortex tube with multiple inlet snail entries”. International Communications in Heat and Mass Transfer, 37, pp. 637–643.
Dincer, K., Avci, A., Baskaya, S., and Berber, A., (2010). “Experimental investigation and exergy analysis of the performance of a counter flow Ranque-Hilsch vortex tube with regard to nozzle cross-section areas”. Int. J. Refrigeration, 33, pp. 954–962.
Polat, K., and Kirmaci, V., (2011). “Determining of gas type in counter flow vortex tube using pairwise fisher score attribute reduction method”. Int. J. Refrigeration, 34, pp. 1372–1386.
Chang, K., Li, Q., Zhou, G., and Li, Q., (2011). “Experimental investigation of vortex tube refrigerator with a divergent hot tube”. Int. J. Refrigeration, 34, pp. 322–327.
Behera, U., Paul, P.J., Kasthurirengen, S., Karunanithi, R., Ram, S. N., Dinesh, K., and Jacob, S., (2005). “CFD analysis and experimental investigations towards optimizing the parameters of Ranque– Hilsch vortex tube”. International Journal of Heat and Mass Transfer, 48, pp. 1961–1973.
Shamsoddini, R., and Hossein Nezhad, A., (2010). “Numerical analysis of the effects of nozzles number on the flow and power of cooling of a vortex tube”. Int. J. Refrigeration, 33, pp. 774-782.
آخسمه، س: بهینهسازی پارامتریک و بررسی جدایش انرژی در ورتکس تیوب، در: (29-31 اردیبهشت 1388)، «هفدهمین کنفرانس سالانه مهندسی مکانیک» ، تهران، دانشگاه تهران.
Takahama, H., (1966). “Studies on vortex tubes (3rd report): Variations of velocity, temperature and energy with axial distance, the mechanism of energy separation”. Bulletin of JSME, 235, pp. 503–510.
Skye, H.M., Nellis, G.F., and Klein, S.A., (2006). “Comparison of CFD Analysis to Empirical Data in a Commercial Vortex Tube”. Int. J. Refrig., 29, pp. 71-80.