لوله ورتکس، هوای گرم و سرد از دو سوی یک لوله، بدون هیچ قطعه‌ی متحرک!
شعبده‌بازی است و قوانین فیزیک ترمودینامیک را نقض میکند: هوای فشرده وارد لوله‌ای ساده شده و دو جریان از دو سوی آن بیرون خواهد آمد؛ یکی جریان هوای به شدت داغ و دیگری جریانی از هوای به شدت سرد خواهد بود. این سیستم و تکنولوژی نه به برق و نه مایع خنک کننده نیاز نداشته و از قضا هیچگونه قطعه‌ی متحرکی هم ندارد.
مواد لازم: فقط یک لوله و کمی فیزیک
لوله‌ی گردابی یا ورتکس چطور کار میکند؟
به طور مختصر، هوای فشرده به صورت مماسی وارد لوله شده و گردابی بسیار سریع ایجاد میکند. در نتیجه‌ی شکل‌گیری گرداب لایه‌های بیرونی هوا به دیواره‌ی لوله برخورد کرده و داغ میشوند و هسته‌ی داخلی در جهت مخالف چرخیده و انرژی خود را در حین حرکت به لایه‌های بیرونی تخلیه میکند. هوای گرم از یک سمت و هوای سرد از طرف دیگر خارج شده و نسبت سرما و گرمای هر کدام را تنها با یک شیر میتوان تنظیم کرد.
مزایای لوله‌ی گردابی یا ورتکس چیست؟
همش مزیته! چه چیزی در این تکنولوژی هست که دوست نداشته باشید؟
بدون قطعه‌ای متحرک: حذف قطعات متحرک از سیستم به معنای حذف قطعاتی است که روغنکاری میخواهد، فرسوده شده و میشکند. نیاز به تعمیر و نگهداری برای لوله‌ی گردابی تقریبا نزدیک به صفر است.
دمای لحظه‌ای: دستیابی از هوای فشرده به هوای سرد در عرض چند ثانیه محقق میشود.
بدون هیچگونه مایع خنک کننده: این سیستم فقط با هوا کار میکند، بدون هر ماده‌ی شیمیایی، از جمله خنک‌کننده‌هایی چون فرئون یا CFCها
در چه مصارفی کاربرد دارد؟
برای ماشین‌کاری و جوشکاری از لوله‌های ورتکس و گردابی برای خنک‌کاری موضعی استفده میشود. همچنین برای سرد کردن لباس‌های محافظ کارگران ریخته‌گری و آتش‌نشانان و یا حفظ راحتی ماسک‌های تنفسی از این سیستم استفاده میشود.
فیزیک این سیستم هنوز کاملا کشف و شناخته نشده است، اما کار میکند.
پژوهشگران بر سر ساز و کار دقیق این سیستم و چگونگی وقوع آن بحث زیادی دارند، این سیستم به هوای تمیز و خشک نیاز دارد و هرگونه حضور رطوبت یا روغن آن را به سرعت دچار گرفتگی و مسدود میکند.
تاریخچه و توضیحات بیشتر
تصور کنید لوله‌ای فلزی و ساده در اختیار شماست و از ورودی کناری آن هوای فشرده به درون می‌دمید. از دو سر لوله دو جریان هوای کاملا متفاوت بیرون خواهد آمد: یکی آنقدر داغ که فلز را گرم میکند و یکی آنقدر سرد که در عرض چند ثانیه یخ میسازد.
این لوله‌ی گردابی رانک هیلش است.
از عجایب مهندسی که در عین حال ساده نیز هست. این پدیده را ژرژ رانک فیزیکدان فرانسوی در سال ۱۹۳۱ و رودولف هیلش مهندس آلمانی در سال ۱۹۴۵ به ترتیب کشف کرده و توسعه دادند. ۸۰ سال است که این پدیده در صنعت حضور داشته و کار میکند اما همچنان فیزیکدانان بر سر چگونگی آن اتفاق نظر ندارند.
چطور کار میکند؟
هوای فشرده از نازلی مماسی، از کنار و با زاویه وارد لوله میشود. توجه داشته باشید که ورود آن مستقیم نیست. در نتیجه‌ی این نوع ورود هوا با سرعت بسیار بالا در حدود ۱ میلیون دور بر دقیقه در داخل لوله شروع به چرخش و شکل‌دهی گرداب یا به انگلیسی Vortex میکند. لایه‌های بیرون گرداب به دیواره نزدیکند و به دلیل اصطکاک و فشردگی داغ میشود.
داغی حاصل از فشردگی را پیشتر در کمپرسور هوا هم مشاهده کرده‌ایم. فشردگی گاز از سختترین امور طبیعی و مصنوعی بوده و تولید و اتلاف حرارتی بسیار بالایی دارد.
پس هوای فشرده در اثر اصطکاک و فشردگی داغ شده و از سر دورتر لوله خارج میشود. لایه‌های داخلی به مرکز نزدیکتر بوده و در جهت مخالف خواهند چرخید و سر دیگر لوله را هدف میگیرند. هوای مذکور انرژی جنبشی خود را به لایه‌های بیرونی و نزدیک به دیواره منتقل کرده و سرد میشود. هوای داغ یک سر تا ۲۰۰ درجه سلسیوس و هوای سرد سر دیگر تا منفی ۵۰ درجه سلسیوس دما خواهند داشت.
این دستگاه به دلیل سادگی افراطی، پایداری زیستی، عدم نیاز به نگهداری و ایمنی بالا اهمیت بسزایی داشته و سرعت خنک‌سازی به محض ورود هوای فشرده اعجاب انگیز است. چرا ایمن است؟ چون بدون برق میتوان در محیطهای انفجاری هم از آن بهره جست.
علاوه بر مثالهای کاربردی که پیشتر در مورد جوشکاری، ماشین‌کاری و آتشنشانی مطرح شد، سیستم گردابی در سنگ‌زنی، ایمنی کارکنان پالایشگاهی، پزشکی و آزمایشگاه برای خنک کردن نمونه‌ها و تجهیزات حساس، الکترونیک برای خنک کردن قطعات الکترونیکی و در هوا فضا کاربرد دارد.
نظریه‌های مختلف و متعارض؟
اختلاف نظر میان فیزیکدانان حول چندین شاخه فیزیک جریان دارد.
انتقال انرژی بین لایه‌های داخلی و بیرونی
اثرات صوتی
تلاطم
انبساط
اثرات فشار
در این لوله‌ها هوا وارد شده و دستی آسمانی آن را گرفته، دو پاره میکند، هرکدام راه به جهتی میفرستد. دو پاره با هم ۲۵۰ درجه سانتیگراد اختلاف دما دارند. گاهی راه‌حل‌ها ساده اند. همانطور که آمریکایی‌ها برای نوشتن در فضا خودکار مخصوص توسعه داده تولید کردند و روس‌ها با مداد نوشتند.
کمپرسور هوا
لوله‌ی گردابی که خودش هوای فشرده تولید نمیکند. پس ادعای اولیه که این سیستم به هیچ پشتیبانی و سیستم پیچیده‌ای نیاز ندارد اندکی دروغ بود. هوای فشرده را باید از قبل داشته باشید تا لوله‌ی فلزی بی‌قابلیت شما به قطعه‌ای جادویی تبدیل شود.
انرژی و کار هرگز رایگان نیست
لوله‌ی گرداب خودش برق مصرف نمیکند اما کمپرسوری که هوای فشرده را تولید کرده برق مصرف میکند و معمولا هم بسیار شلخته و با بازدهی پایین این برق را مصرف میکند. کمپرسور هوا از جمله پایین‌ترین بهره‌وری‌های ماشینی را داشته و البته که شغلی بسیار سخت هم دارد؛ کمپرسور با ریخت و پاش انرژی برق هوا یا گاز را مچاله و فشرده میکند.
صرفه اقتصادی لوله ورتکس؟
اگر در کارخانه‌ی خود کمپرسورخانه یا کمپرسوری دارید که از قبل هوای فشرده را برای شما تولید میکند، لوله‌ی گرداب راه حلی بسیار ارزان برای خنک‌کاری موضعی خواهد بود.
اثر گرمابرقی یا اثر ترموالکتریک تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی یا برعکس آن توسط ترموکوپل است. یک دستگاه گرمابرقی وسیله‌ای است که در صورت وجود اختلاف دما در دو سر آن، یک اختلاف پتانسیل پدید می‌آورد. متقابلاً، در صورت اعمال ولتاژ به دو سر آن، حرارت از سمتی به سمت دیگر حرکت میکند و اختلاف دما ایجاد میشود. در ابعاد اتمی، گرادیان دمای اعمال شده سبب میشود تا حامل‌های بار در ماده از قسمت گرم به قسمت سرد حرکت کنند.
المنت پلتیه یا peltier
چه کمپرسوری به کار لوله ورتکس خواهد آمد؟
درایرهای جذبی احیاگر (regenerative desiccant dryers) امکان دستیابی به نقطه شبنمی تا منفی هفتاد درجه سانتیگراد را دارند، چنین هوایی کاملا تمیز و عاری از رطوبت خواهد بود. درایرهای جذبی با بهره‌گیری از ماده‌ای جاذب عمل می کنند که در طی پروسه‌ی خشک کردن هوا رطوبت (و آلودگی‌های دیگر در صورت نیاز) را به خود میگیرند، در حالی که تغییری در کیفیت خود ماده‌ی جاذب ایجاد نمی شود. به نقل از درایر (خشک‌کن) مناسب برای کمپرسور شما
لوله گردابی یا ورتکس به هوای فشرده با فشار و کیفیت مشخصی نیاز دارد. لوله‌های گردابی نازل‌های بسیار کوچکی در حد میکرون داشته و هرگونه ورود روغن، آب یا ذرات جامد آن را مسدود خواهد کرد. قبل از لوله بایستی فیلتر پنج میکرون نصب شود و اگر هوای شما روغنی است از فیلتر سپراتور روغن نیز استفاده کنید. توجه داشته باشید که هوای محیط پر از رطوبت است و این هوا پس از فشردگی غلظت بالاتری از رطوبت نیز به همراه خواهد آورد. در نتیجه و در لوله‌ی ورتکسی که یک سوی آن هوا به منفی ۵۰ درجه سانتیگراد افت دمایی و سرما خواهد داشت یخ زدگی عامل گرفتگی است.
نصب درایر یا خشک کن هوای فشرده با نقطه شبنم خوب در حدود منفی ۱۹ درجه سانتیگراد برای جلوگیری از انجماد و خرابی لوله فلزی مناسب است.
فشار ایده‌آل معمولا در محدوده‌ی ۶ تا ۷ بار یا فشار نرمال است. برای کاربردهای سبک نیم مترمکعب بر دقیقه هم کافیست و برای کاربردهای سنگینتر تا چند مترمکعب بر دقیقه خوب خواهد بود.
نوع کمپرسور
نیاز به هوای خشک و بدون روغن حق انتخاب را تا حد زیادی محدود میکند. کمپرسور اسکرال یا کمپرسور دیافراگم هر دو بدون روغن بوده و برای این کاربرد ایده‌آل هستند. نصب درایر و فیلتر ۵ میکرون عمر لوله گردابی و راندمان آن را به شکل چشمگیری بهبود خواهد داد.
به طور معمول برای این لوله‌ها از کمپرسور پیستونی روغنی با فیلتراسیون قوی نیز استفاده میشود. این مسئله به خاطر حضور کمپرسور پیستونی از قبل در محیط کار است. کارخانجات بسیاری نیز از کمپرسور اسکرو در کمپرسورخانه بهره میبرند که آن هم انتخاب خوبی خواهد بود. البته باز هم، اگر کمپرسور اسکرو اویل فری نیست، باز هم بایستی به فیلتراسیون قوی و تفکیک روغن اقدام کنند.
