보텍스 튜브

3. 작동 원리

보텍스 튜브 내의 온도 분리는 크게 두 가지 관점에서 설명된다. 첫 번째는 기초 물리학적 접근으로, 엔탈피 보존 법칙과 오일러의 터빈 방정식을 이용하여 온도 분리 현상을 설명한다. 두 번째는 현상학적 접근으로, 실제 관측 데이터와 실험 결과를 바탕으로 온도 분리 메커니즘을 설명한다.

1947년 헬쉬(Hlsch)는 첫 번째 논문에서 내부 마찰로 인해 발생하는 운동 에너지에 의한 바깥쪽 흐름을 가정하여 보텍스 튜브 내의 흐름을 정량적으로 설명했다.^[3] 1948년에는 카스너(Kassner)와 쾨른쉴트(Knoernschild)가 유입되는 공기의 자유 와류가 점성의 작용으로 강제 와류로 변화하고, 더 나아가 난류 혼합에 의한 단열적 온도 분포를 가정한 해석적인 근사 이론을 제시했다.

3. 1. 기초 물리학적 접근

3. 2. 현상학적 접근

3. 3. 이론 해석 (일본어판)

3. 4. 수치 계산 결과 (일본어판)

4. 효율

보텍스 튜브는 현존하는 에어컨보다 효율이 떨어진다.^[23] 따라서 압축 공기를 쓸 수 있을 때, 특정 장소 냉각에만 쓰인다.

보텍스 튜브의 냉각 효율은 기존의 냉동기에 비해 낮기 때문에, 힐쉬(Hilsch)는 항내의 냉방이나 기체의 액화 등 특수한 영역으로의 응용을 시사했다. 보텍스 튜브 작동용 압축 공기를 쉽게 얻을 수 있는 장소에서 몇 가지 응용 사례가 있다. 유출되는 저온 및 고온 기체 중 어느 한쪽만 사용되는 것에 따른 효율 저하를 개선하기 위한 시도로, 메테닌(Metenin)과 메르쿨로르(Melkulor)는 대상을 냉각시킨 후의 저온 공기가 열교환기를 통과하여 송입 공기를 냉각시키고 에젝터에 의해 장치 밖으로 배출되며, 고온 공기는 이 에젝터 작동용 기체로 사용한다는 연구 결과를 보고했다. 소용돌이 실내 표면의 매끄러움을 거칠게 하면 선회 속도의 감쇠가 빨라져 주관 길이를 단축할 수 있지만, 장치 전체의 효율은 저하된다. 중공 나선형 핀을 관 내에 삽입함으로써, 난류 운동 에너지가 큰 영역이 생성되어 작은 순환 와류 구조를 가진 강한 반전 와류가 형성됨으로써, 핀이 에너지 분리를 촉진하고 관 길이를 짧게 할 수 있다는 연구 결과가 보고되고 있다.

5. 응용

온도 조절이 쉽고 칼날이나 가공물을 오염시키지 않는다는 장점 때문에 고온 작업장에서 냉방복으로 사용되거나, 절삭 가공 시 칼날 및 피가공물 냉각에 사용되며, 이러한 장치는 시판되고 있다.^[9] 치과용 드라이어처럼 온풍을 이용하는 예도 있다.^[26]

5. 1. 현재 응용 분야

참조

_[1] 서적 The Flying Circus of Physics John Wiley & Sons, Inc.
_[2] 논문 Parameters Optimization of Tube Type, Pressure, and Mass Fraction on Vortex Tube Performance Using the Taguchi Method
_[3] 웹사이트 Z.S. Spakovszky. Unified: thermodynamics and propulsion (Lecture notes), Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Mass. 2007. ch. 12.3. http://web.mit.edu/1[...]
_[4] 논문 Thermodynamics of angular propulsion in fluids
_[5] Youtube 【Fun科學】惡魔急凍管(只要把空氣灌進去就瞬間變冷!!) https://www.youtube.[...] 2021-09-18
_[6] 논문 Vortex tube effect without walls
_[7] 논문 A critical review of temperature separation in a vortex tube
_[8] 논문 Review of Ranque–Hilsch effects in vortex tubes
_[9] 간행물 Method and apparatus for obtaining from a fluid under pressure two currents of fluids at different temperatures http://pdfpiw.uspto.[...] Georges Joseph Ranque 1934-03-27
_[10] 서적 The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac https://archive.org/[...] Basic Books
_[11] 논문 The use of the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process
_[12] 간행물 A bibliography and survey of the vortex tube College of Aeronautics, Cranfield note, UK 1954
_[13] 간행물 Bibliography of vortex tubes Refrig Eng 59(2):191–193 1951
_[14] 간행물 Vortex tubes (an extension of Wesley’s bibliography) Jet Propulsion Laboratory, California Inst of Technology Literature Search, 56, Part 2 1956
_[15] 간행물 Vortex tubes: a bibliography Lawrence Radiation Laboratory UCRL-7829 1964
_[16] 간행물 The Ranque–Hilsch vortex tube and its application to spacecraft environmental control systems Dev Theor Appl Mech, Vol 6 1972
_[17] 간행물 Gas liquefaction using a Ranque–Hilsch vortex tube: design criteria and bibliography Report for the degree of Chemical Engineer, Massachusetts Institute of Technology 1979
_[18] 웹사이트 Free Patents Online http://www.freepaten[...] 2017-08-27
_[19] 논문 Vortex Tubes Blow Hot and Cold https://books.google[...] 1976-10
_[20] 문서 Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube 2005
_[21] 문서
_[22] 논문 Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids Trans. ASME 1988-06
_[23] 논문 The maximum coefficient of performance (COP) of vortex tubes
_[24] 웹사이트 Newman Tools Inc. http://www.newmantoo[...]
_[25] 웹사이트 Streamtek Corp https://stream-tek.c[...] 2021-08-20
_[26] 서적 The Flying Circus of Physics https://archive.org/[...] John Wiley & Sons, Inc.
_[27] 논문 The Use of the Expansion of Gases in A Centrifugal Field as Cooling Process 1947
_[28] 문서 Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube 2005
_[29] 문서
_[30] 논문 Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids Trans. ASME 1988-06