भंवर नलिका

भंवर नलिका, जिसे रैंके-हिल्स्च भंवर नलिका के रूप में भी जाना जाता है, एक यांत्रिक उपकरण है जो संपीड़ित गैस को गर्म और ठंडी धाराओं में अलग करता है। गर्म सिरे से निकलने वाली गैस 200 C के तापमान तक पहुँच सकती है, और ठंडे सिरे से निकलने वाली गैस −50 C तक पहुंच सकती है। इसमें कोई गतिमान भाग नहीं है और इसे पर्यावरण की अनुकूल तकनीक माना जाता है क्योंकि यह केवल संपीड़ित हवा पर काम कर सकता है और फ़्रीऑन का उपयोग नहीं करता है। हालाँकि, इसकी दक्षता कम है, जो इसके अन्य पर्यावरणीय लाभों का प्रतिकार करती है।

संपीडित गैस को ट्यूब के एक सिरे के पास एक ऊर्मी कक्ष में स्पर्शरेखीय रूप से अंतःक्षिप्त किया जाता है, जिससे तेजी से घूर्णन होता है - पहला भंवर - क्योंकि यह ट्यूब की आंतरिक सतह के साथ दूर के अंत तक चलता है। एक शंकुरूप नोजल विशेष रूप से इस बाहरी परत से गैस को एक वाल्व के माध्यम से उस सिरे पर निकलने की अनुमति देता है। शेष गैस को बाहरी भंवर के अंतर्गत कम व्यास के आंतरिक भंवर में लौटने के लिए प्रणोदित किया जाता है। आंतरिक भंवर से गैस बाहरी भंवर में गैस को गर्मी स्थानांतरित करती है, इसलिए बाहरी परत शुरुआत की तुलना में दूर के सिरे पर अधिक गर्म होती है। केंद्रीय भंवर में गैस भी प्रारम्भिक बिंदु पर लौटने पर ठंडी होती है, जहां इसे ट्यूब से छोड़ा जाता है।

प्रचालन का माध्यम
भंवर नलिका में तापमान पृथक्करण को समझाने के लिए, दो मुख्य दृष्टिकोण हैं:

मौलिक दृष्टिकोण: भौतिकी
यह दृष्टिकोण केवल प्रथम-सिद्धांत भौतिकी पर आधारित है और केवल भंवर नलिका तक ही सीमित नहीं है, बल्कि सामान्य रूप से गतिमान गैस पर उपयोजित होता है। यह दर्शाता है कि गतिमान गैस में तापमान पृथक्करण केवल गतिमान संदर्भ प्रणाली में एन्थैल्पी संरक्षण के कारण होता है।

भंवर नलिका में थर्मल प्रक्रिया का अनुमान निम्नलिखित प्रकार से लगाया जा सकता है:

भंवर नलिका की मुख्य भौतिक घटना ठंडे भंवर कोर और गर्म भंवर परिधि के मध्य तापमान पृथक्करण है। भंवर नलिका प्रभाव को यूलर के कार्य समीकरण के साथ पूरी तरह से समझाया गया है, जिसे यूलर के टरबाइन समीकरण के रूप में भी जाना जाता है, जिसे इसके सबसे सामान्य वेक्टर रूप में लिखा जा सकता है:
 * $$ T - \frac{ \vec v \cdot \vec \omega \times \vec r}{c_p}=\mbox{const} $$,

जहां $$ T $$ रेडियल स्थिति $$\vec r$$ पर घूर्णन गैस का पूर्ण या प्रगतिरोध तापमान है, संदर्भ के स्थिर फ्रेम से देखे गए पूर्ण गैस वेग को $$\vec v$$ से दर्शाया जाता है; प्रणाली का कोणीय वेग $$\vec \omega $$ है और $$ c_p $$ गैस की समदाब रेखीय ताप क्षमता है। यह समीकरण 2012 में प्रकाशित हुआ था; यह भंवर नलिका के मौलिक संचालन सिद्धांत की व्याख्या करता है (यह कैसे काम करता है इसका एनिमेटेड प्रदर्शन वाला एक वीडियो यहां दिया गया है )। इस स्पष्टीकरण की खोज 1933 में प्रारम्भ हुई जब भंवर नलिका की खोज हुई और 80 से अधिक वर्षों तक जारी रहती है।

उपरोक्त समीकरण रुद्धोष्म टरबाइन मार्ग के लिए मान्य है; यह स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि जहां केंद्र की ओर बढ़ने वाली गैस ठंडी हो रही है, वहीं मार्ग में परिधीय गैस तेज हो रही है। भंवर शीतलन कोणीय प्रणोदन के कारण होता है। गैस केंद्र तक पहुंचकर जितनी अधिक ठंडी होती है, उतनी ही अधिक घूर्णी ऊर्जा भंवर को प्रदान करती है और इस प्रकार भंवर और भी तेजी से घूमता है। यह व्याख्या सीधे ऊर्जा संरक्षण के नियम से उत्पन्न होती है। कमरे के तापमान पर संपीड़ित गैस को नोजल के माध्यम से गति प्राप्त करने के लिए विस्तारित किया जाता है; इसके बाद यह घूर्णन के केन्द्रापसारक अवरोध पर चढ़ जाती है जिससे समय ऊर्जा भी नष्ट हो जाती है। अदृश्य हुई ऊर्जा को भंवर में पहुंचाया जाता है, जो इसके घूर्णन को गति देता है। एक भंवर नलिका में, सिलिन्डराकार आसपास की दीवार परिधि पर प्रवाह को सीमित करती है और इस प्रकार गतिज को आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए विवश करती है, जो गर्म निकास पर गर्म हवा का उत्पादन करती है।

भंवर नलिका एक रोटर रहित टर्बोएक्सपेंडर है। इसमें एक रोटर रहित रेडियल अंतःप्रवाह टरबाइन (ठंडा अंत, केंद्र) और एक रोटर रहित अपकेंद्री संपीडक (गर्म अंत, परिधि) होता है। टरबाइन के कार्य आउटपुट को गर्म सिरे पर संपीडक द्वारा ऊष्मा में परिवर्तित किया जाता है।

परिघटनात्मक दृष्टिकोण
यह दृष्टिकोण अवलोकन और प्रयोगात्मक डेटा पर निर्भर करता है। इसे विशेष रूप से भंवर नलिका के ज्यामितीय आकार और इसके प्रवाह के विवरण के अनुरूप बनाया गया है और इसे सम्मिश्र भंवर नलिका प्रवाह के विशेष प्रेक्षणीय, अर्थात् प्रक्षोभ, ध्वनिक घटना, दबाव क्षेत्र, वायु वेग और कई अन्य से समान होने के लिए प्रारुप किया गया है। भंवर नलिका के पहले प्रकाशित मॉडल परिघटनात्मक हैं। वे हैं:


 * 1) रेडियल दबाव अंतर: केन्द्रापसारक संपीड़न और वायु विस्तार
 * 2) कोणीय संवेग का रेडियल स्थानांतरण
 * 3) ऊर्जा की रेडियल ध्वनिक स्ट्रीमिंग
 * 4) रेडियल ऊष्मा पम्पिंग

इन प्रतिरूप के बारे में अधिक जानकारी भंवर नलिका पर हाल के समीक्षा लेखों में पाई जा सकती है।

घटनात्मक मॉडल पहले के समय में विकसित किए गए थे जब यूलर के टरबाइन समीकरण का पूरी तरह से विश्लेषण नहीं किया गया था; इंजीनियरिंग साहित्य में, इस समीकरण का अध्ययन अधिकतर टरबाइन के कार्य आउटपुट को दिखाने के लिए किया जाता है; जबकि तापमान विश्लेषण नहीं किया जाता है क्योंकि टरबाइन शीतलन में बिजली उत्पादन के विपरीत अधिक सीमित अनुप्रयोग होता है, जो टरबाइन का मुख्य अनुप्रयोग है। अतीत में भंवर नलिका के घटना संबंधी अध्ययन आनुभविक डेटा प्रस्तुत करने में उपयोगी होते है। हालाँकि, भंवर प्रवाह की सम्मिश्रता के कारण यह आनुभविक दृष्टिकोण केवल प्रभाव के पहलुओं को दिखाने में सक्षम था लेकिन इसके संचालन सिद्धांत को समझाने में असमर्थ था। आनुभविक विवरणों के लिए समर्पित, लंबे समय तक अनुभवजन्य अध्ययनों ने भंवर नलिका प्रभाव को रहस्यमय बना दिया और इसकी व्याख्या - तर्क का विषय था।

इतिहास
भंवर नलिका का आविष्कार 1931 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी जॉर्जेस जे. रैंके ने किया था। इसे 1934 में पॉल डिराक द्वारा फिर से खोजा गया था जब वह आइसोटोप पृथक्करण करने के लिए एक उपकरण की खोज कर रहे थे, जिससे हेलिकॉन भंवर पृथक्करण प्रक्रिया का विकास हुआ था। जर्मन भौतिक विज्ञानी ने प्रारुप में सुधार किया और 1947 में युक्ति पर एक व्यापक रूप से पढ़ा जाने वाला दस्तावेज़ प्रकाशित किया, जिसे उन्होंने विरबेलरोहर (शाब्दिक रूप से, चक्करदार पाइप) कहा था। 1954 में, वेस्टली ने भंवर नलिका की एक ग्रंथ सूची और सर्वेक्षण शीर्षक से एक व्यापक सर्वेक्षण प्रकाशित किया, जिसमें 100 से अधिक संदर्भ सम्मिलित थे। 1951 में कर्ली और मैकग्री, 1956 में कालविंस्कास, 1964 में डोब्रात्ज़, 1972 में नैश, और 1979 में हेल्यार ने भंवर नलिका और इसके अनुप्रयोगों पर अपनी व्यापक समीक्षाओं द्वारा आरएचवीटी साहित्य में महत्वपूर्ण योगदान दिया था। 1952 से 1963 तक, सी. डार्बी फुल्टन, जूनियर ने भंवर नलिका के विकास से संबंधित चार अमेरिकी पेटेंट प्राप्त किए थे। 1961 में, फुल्टन ने फुल्टन क्रायोजेनिक्स नाम की कंपनी के अंतर्गत भंवर नलिका का निर्माण प्रारम्भ किया था। डॉ. फुल्टन ने कंपनी को वोर्टेक, इंक. को बेच दिया था। भंवर नलिका का उपयोग 1967 में लिंडरस्ट्रॉम-लैंग द्वारा गैस मिश्रण, ऑक्सीजन और नाइट्रोजन, कार्बन डाइऑक्साइड और हीलियम, कार्बन डाइऑक्साइड और हवा को अलग करने के लिए किया गया था। भंवर नलिका कुछ विस्तार तक तरल पदार्थों के साथ भी काम करती प्रतीत होती हैं, जैसा कि ह्यूह और स्वेनसन ने एक प्रयोगशाला प्रयोग में प्रदर्शित किया था जहां कोर से मुक्त शरीर का घूर्णन होता है और दीवार पर एक मोटी सीमा परत होती है। हवा अलग हो जाती है जिससे ठंडी हवा की धारा रेफ्रिजरेटर के रूप में ठंडी होने की उम्मीद में निकास से बाहर आती है। 1988 में आर. टी. बामर ने तरल पानी को कार्यशील माध्यम के रूप में उपयोजित किया है। यह पाया गया कि जब अंतर्गम दबाव अधिक होता है, उदाहरण के लिए 20-50 बार, तो ऊष्मा ऊर्जा पृथक्करण प्रक्रिया असंपीड्य (तरल) भंवर प्रवाह में भी उपस्थित होती है। ध्यान दें कि यह पृथक्करण केवल गर्म करने के कारण होता है; अब कोई शीतलन नहीं देखा जा रहा है क्योंकि शीतलन के लिए कार्यशील द्रव की संपीडनशीलता की आवश्यकता होती है।

दक्षता
पारंपरिक वातानुकूलन उपकरण की तुलना में भंवर नलिका की दक्षता कम होती है। जब संपीड़ित हवा उपलब्ध होती है, तो इनका उपयोग सामान्यतः मितव्ययी स्पॉट शीतलन के लिए किया जाता है।

वर्तमान अनुप्रयोग
वाणिज्यिक भंवर नलिका को औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए 71 °C तक तापमान में गिरावट उत्पन्न करने के लिए प्रारुप किया गया है। बिना हिलने वाले भाग, बिना बिजली और बिना रेफ्रिजरेंट के एक भंवर नलिका 100 psi पर 100 मानक घन फीट प्रति मिनट (2.832 एम3/मिनट) फ़िल्टर्ड संपीड़ित हवा का उपयोग करके 6000 BTU/h तक प्रशीतन का उत्पादन कर सकती है। गर्म हवा के निकास में एक नियंत्रण वाल्व एक विस्तृत श्रृंखला में तापमान, प्रवाह और प्रशीतन को समायोजित करती है।

मशीनिंग के समय काटने वाले उपकरणों (लेथ और मिलिंग मशीन, दोनों मैन्युअल रूप से संचालित और सीएनसी मशीनें) को ठंडा करने के लिए भंवर नलिका का उपयोग किया जाता है। भंवर नलिका इस अनुप्रयोग से अच्छी तरह सहवर्तनीय है: मशीन की दुकानें सामान्यतः पहले से ही संपीड़ित हवा का उपयोग करती हैं, और ठंडी हवा का एक तेज़ जेट उपकरण द्वारा उत्पादित चिप्स को ठंडा करने और हटाने दोनों प्रदान करता है। यह तरल शीतलक की आवश्यकता को समाप्त या अत्यंत कम कर देता है, जो अव्यव्स्थित, महंगा और पर्यावरण के लिए संकटपूर्ण है।

यह भी देखें

 * मैक्सवेल का दुष्प्रभाव
 * विंडहोक

अग्रिम पठन

 * G. Ranque, (1933) "Expériences sur la détente giratoire avec productions simultanées d'un echappement d'air chaud et d'un echappement d'air froid," Journal de Physique et Le Radium, Supplement, 7th series, 4 : 112 S – 114 S.
 * H. C. Van Ness, Understanding Thermodynamics, New York: Dover, 1969, starting on page 53. A discussion of the vortex tube in terms of conventional thermodynamics.
 * Mark P. Silverman, And Yet it Moves: Strange Systems and Subtle Questions in Physics, Cambridge, 1993, Chapter 6
 * Samuel B. Hsueh and Frank R. Swenson,"Vortex Diode Interior Flows," 1970 Missouri Academy of Science Proceedings, Warrensburg, Mo.
 * C. L. Stong, The Amateur Scientist, London: Heinemann Educational Books Ltd, 1962, Chapter IX, Section 4, The "Hilsch" Vortex Tube, p514-519.
 * M. Kurosaka, Acoustic Streaming in Swirling Flow and the Ranque-Hilsch (vortex-tube) Effect, Journal of Fluid Mechanics, 1982, 124:139-172
 * M. Kurosaka, J.Q. Chu, J.R. Goodman, Ranque-Hilsch Effect Revisited: Temperature Separation Traced to Orderly Spinning Waves or 'Vortex Whistle', Paper AIAA-82-0952 presented at the AIAA/ASME 3rd Joint Thermophysics Conference (June 1982)
 * R. Ricci, A. Secchiaroli, V. D’Alessandro, S. Montelpare. Numerical analysis of compressible turbulent helical flow in a Ranque-Hilsch vortex tube. Computational Methods and Experimental Measurement XIV, pp. 353–364, Ed. C. Brebbia, C.M. Carlomagno, ISBN 978-1-84564-187-0.
 * A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D’Alessandro. Fluid Dynamics Analysis of a Ranque-Hilsch Vortex-Tube. Il Nuovo Cimento C, vol.32, 2009,.
 * A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D’Alessandro. Numerical simulation of turbulent flow in a Ranque-Hilsch vortex-tube. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, Issues 23–24, November 2009, pp. 5496–5511,.
 * N. Pourmahmoud, A. Hassanzadeh, O. Moutaby. Numerical Analysis of The Effect of Helical Nozzles Gap on The Cooling Capacity of Ranque Hilsch Vortex Tube. International Journal of Refrigeration, Vol. 35, Issue 5, 2012, pp. 1473–1483,.
 * M. G. Ranque, 1933, "Experiences sur la detente giratoire avec production simulanees d’un echappement d’air chaud et d’air froid", Journal de Physique et le Radium (in French), Supplement, 7th series, Vol. 4, pp. 112 S–114 S.
 * R. Hilsch, 1947, "The Use of the Expansion of Gases in a Centrifugal Field as Cooling Process", Review of Scientific Instruments, Vol. 18, No. 2, pp. 108–113.
 * J Reynolds, 1962, "A Note on Vortex Tube Flows", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 14, pp. 18–20.
 * T. T. Cockerill, 1998, "Thermodynamics and Fluid Mechanics of a Ranque-Hilsch Vortex Tube", Ph.D. Thesis, University of Cambridge, Department of Engineering.
 * W. Fröhlingsdorf, and H. Unger, 1999, "Numerical Investigations of the Compressible Flow and the Energy Separation in the Ranque-Hilsch Vortex Tube", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 42, pp. 415–422.
 * J. Lewins, and A. Bejan, 1999, "Vortex Tube Optimization Theory", Energy, Vol. 24, pp. 931–943.
 * J. P. Hartnett, and E. R. G. Eckert, 1957, "Experimental Study of the Velocity and Temperature Distribution in a high-velocity vortex-type flow", Transactions of the ASME, Vol. 79, No. 4, pp. 751–758.
 * M. Kurosaka, 1982, "Acoustic Streaming in Swirling Flows", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 124, pp. 139–172.
 * K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang, and D. Seher, 1983, "An Investigation of Energy Separation in a Vortex Tube", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 26, No. 3, pp. 341–348.
 * B. K. Ahlborn, and J. M. Gordon, 2000, "The Vortex Tube as a Classical Thermodynamic Refrigeration Cycle", Journal of Applied Physics, Vol. 88, No. 6, pp. 3645–3653.
 * G. W. Sheper, 1951, Refrigeration Engineering, Vol. 59, No. 10, pp. 985–989.
 * J. M. Nash, 1991, "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics", Proc. of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 4, pp. 521–525.
 * D. Li, J. S. Baek, E. A. Groll, and P. B. Lawless, 2000, "Thermodynamic Analysis of Vortex Tube and Work Output Devices for the Transcritical Carbon Dioxide Cycle", Preliminary Proceedings of the 4th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids at Purdue, E. A. Groll & D. M. Robinson, editors, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, pp. 433–440.
 * H. Takahama, 1965, "Studies on Vortex Tubes", Bulletin of JSME, Vol. 8, No. 3, pp. 433–440.
 * B. Ahlborn, and S. Groves, 1997, "Secondary Flow in a Vortex Tube", Fluid Dyn. Research, Vol. 21, pp. 73–86.
 * H. Takahama, and H. Yokosawa, 1981, "Energy Separation in Vortex Tubes with a Divergent Chamber", ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 103, pp. 196–203.
 * M. Sibulkin, 1962, "Unsteady, Viscous, Circular Flow. Part 3: Application to the Ranque-Hilsch Vortex Tube", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 12, pp. 269–293.
 * K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang, and D. Seher, 1984, "A Similarity Relation for Energy Separation in a Vortex Tube", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 27, No. 6, pp. 911–920.
 * H. Takahama, and H. Kawamura, 1979, "Performance Characteristics of Energy Separation in a Steam-Operated Vortex Tube", International Journal of Engineering Science, Vol. 17, pp. 735–744.
 * G. Lorentzen, 1994, "Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant", H&V Engineer, Vol. 66. No. 721, pp. 9–14.
 * D. M. Robinson, and E. A. Groll, 1996, "Using Carbon Dioxide in a Transcritical Vapor Compression Refrigeration Cycle", Proceedings of the 1996 International Refrigeration Conference at Purdue, J. E. Braun and E. A. Groll, editors, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, pp. 329–336.
 * W. A. Little, 1998, "Recent Developments in Joule-Thomson Cooling: Gases, Coolers, and Compressors", Proc. Of the 5th Int. Cryocooler Conference, pp. 3–11.
 * A. P. Kleemenko, 1959, "One Flow Cascade Cycle (in schemes of Natural Gas Liquefaction and Separation)", Proceedings of the 10th International Congress on Refrigeration, Pergamon Press, London, p. 34.
 * J. Marshall, 1977, "Effect of Operating Conditions, Physical Size, and Fluid Characteristics on the Gas Separation Performance of a Linderstrom-Lang Vortex Tube", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 20, pp. 227–231
 * D. M. Robinson, and E. A. Groll, 1996, "Using Carbon Dioxide in a Transcritical Vapor Compression Refrigeration Cycle", Proceedings of the 1996 International Refrigeration Conference at Purdue, J. E. Braun and E. A. Groll, editors, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, pp. 329–336.
 * W. A. Little, 1998, "Recent Developments in Joule-Thomson Cooling: Gases, Coolers, and Compressors", Proc. Of the 5th Int. Cryocooler Conference, pp. 3–11.
 * A. P. Kleemenko, 1959, "One Flow Cascade Cycle (in schemes of Natural Gas Liquefaction and Separation)", Proceedings of the 10th International Congress on Refrigeration, Pergamon Press, London, p. 34.
 * J. Marshall, 1977, "Effect of Operating Conditions, Physical Size, and Fluid Characteristics on the Gas Separation Performance of a Linderstrom-Lang Vortex Tube", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 20, pp. 227–231

बाहरी संबंध

 * G. J. Ranque's U.S. Patent
 * Detailed explanation of the vortex tube effect with many pictures
 * Oberlin college physics demo
 * Building a Vortex Tube This Old Tony, YouTube
 * Vortex'n 2 This Old Tony, YouTube