Rangueho vírová trubice

Rangueho (Hilschova) trubice je jednoduché zařízení, které má již svoji historií a stále není uspokojivě teoreticky vysvětleno. Jak vysvětlit, že stlačený vzduch (0,7 MPa, cca 20°C) přiváděný tangenciálně do komůrky trubice se rozděluje na studenou (až -46 °C) a teplou frakci, které vycházejí z trubice na jejich koncích? Trubice je bez pohyblivých součástí (pouze na teplém konci je škrtící ventil) a tedy prakticky bezúdržbová. Ventil určuje množství a teplotu na studeném (i teplém) konci trubice. Obecně lze říci, že při menším množství vzduchu je jeho teplota nižší.

Stručně o historii

V roce 1930 sestavil Joseph Georges Ranque první vírovou trubici a popsal její činnost. Trubice se prakticky nepoužívala a až ve 40. letech Rudolf Hilsch ji „znovuobjevil“. Od roku 1961 trubici vyrábí firma Vortec (USA), která má své zastoupení i v ČR.

Praktické využití trubice

Trubice se využívá ve speciálních případech chlazení. Je to zejména tam, kde nemůžeme z různých důvodů použít běžné chlazení. Příklady použití:

• chlazení nástrojů při obrábění kovů, plastů, gumy, dřeva
• chlazení skříní elektronických řídících systémů nebo rozváděčů při přehřívání
• chlazení nebo ohřívání dělníků (jejich obleků) v horkých nebo studených prostorách
• vysoušení vzorků plynů, laboratorní experimenty, chlazení vzorků v nádobách (mléko)
• vytvrzování lepidel, ohřívání a sušení materiálů (inkoustů při tisku na speciální etikety)
• chlazení spoje po svařování plastových sáčků
• chlazení materiálů při ultrazvukovém svařování
• chlazení materiálů při navařování plazmou
• chlazení horkého roztaveného lepidla při vytváření knižní vazby
• chlazení svařovacích hořáků (náhrada chlazení vodou)
• chlazení šicí jehly při šití tvrdých nebo silných materiálů
• chlazení nástrojů při vysekávání/prostřihování žvýkací gumy
• chlazení roztaveného lepidla na nálepkách
• chlazení roztaveného rubu koberce
• chlazení u sítotisku v textilním průmyslu
• chlazení taveniny při povlakování papíru
• chlazení při vkládání fólie v nábytkářském průmyslu
• chlazení po tvarování teplem v nábytkářském průmyslu
• chlazení nástroje při vysekávání těsnění z kartónu nebo fólie
• chlazení ostří při rozřezávání obálek
• chlazení pily na řezání papírových krabic
• chlazení lepicí vrstvy kovových nálepek na tuby pro rtěnky
• chlazení inkoustu u tisku
• chlazení roztaveného švu ve formě
• zkoušení termostatů, přístrojů a elektroniky (střídáním teplot)
• testování teplotních senzorů
• chlazení forem, „core pins“ při vstřikování plastů, ve sklárnách; chlazení tuku, vosku
• chlazení a sušení pásku při ořezávání knih
• chlazení mýdla v tunelu před lisováním
• chlazení hadice před operací vyztužování
• chlazení při extruzi PVC hadic s gumy
• chlazení gumového válce po broušení
• chlazení vosku při výrobě svíček
• a další možnosti (existuje více než 1000 aplikací)

Studentský projekt

Projekt obsahuje následující části:

• experimentální ověření zakoupené trubice VORTEC ve školních dílnách
• experimentální ověření vyrobené trubice v kompresorovně a. s. ŽĎAS Žďár nad Sázavou
• simulace činnosti trubice pomocí programu CFDesign ve firmě AV Engineering Chrudim
• diskuze výsledků

Experimentální ověření zakoupené trubice VORTEC ve školních dílnách

Zakoupená trubice VORTEC se vyzkoušela ve školních dílnách, stlačený vzduch měl pouze cca 0,3 MPa a doba jeho proudění z větrníku kompresoru byla asi 1 minuta. Potom následovala pauza a kompresor opět po dobu několika minut plnil větrník. Naměřené hodnoty:

Vstupní vzduch – teplota 22 °C
Výstupní vzduch ze studeného konce trubice – asi +9 °C
Trubice tedy částečně pracovala i při těchto nízkých vstupních hodnotách stlačeného vzduchu.

Experimentální ověření vyrobené trubice v kompresorovně a. s. ŽĎAS Žďár nad Sázavou

Ve škole vyrobená trubice s jednoduchým tangenciálním přívodem byla odzkoušena za použití tvrdého zdroje stlačeného vzduchu, který měl tlak 0,7 MPa a teplotu asi 20 °C. Podle intenzity škrcení na teplém konci se dosahovalo teploty na studeném konci až – 30 °C.

Simulace činnosti trubice pomocí programu CFDesign ve firmě AV Engineering Chrudim

Odzkoušená trubice (viz bod 2) se použila pro výpočet v programu CFDesign. Byl vytvořen geometrický model v programu Inventor. Tento model představoval prostředí, tedy vzduch v trubici. Protože softwarové i hardwarové prostředky školy na výpočet nepostačují, navázala se spolupráce s uvedenou firmou. Zde proběhl výpočet s těmito údaji:

PC s MS Windows 64 bit, Pentium(R) 4 CPU 3.4 GHz, RAM 8 GB, CFDesign verze 8.0
Velikost sítě: 378 346 elementů
Čas výpočtu: 2 hod 7 minut
Vypočtené proměnné: složky rychlostí - u,v,w, tlak – p, teplota - T

Graficky vyjádřené výsledky:

Proudnice

Proudění v trubici

Teplotní rozdělení v trubici

Detail pole rychlostí ve středové části trubice

Diskuze výsledků

Z uvedených grafických výstupů je zřejmé, že dochází k rozdělení vzduchu na studenou a teplou frakci. Minimální vypočtená lokální teplota je -55°C.
Dále je zajímavé, že nedochází k „odrážení“ studeného vzduchu od škrtícího ventilu (viz obr. 2), tak jak se to vždy popisuje ve firemních materiálech VORTEC (viz obrázek v úvodu článku). To může být ale pouze situace u této simulované trubice, která je vyrobena s jinou geometrií než trubice VORTEC. Proto bude vhodné v budoucnosti simulovat přímo některou z trubic VORTEC.

Tento studentský projekt je hezkým příkladem spolupráce střední školy a firem. Dále také dokládá, že pod vhodným vedením může student střední školy i úspěšně zvládnout problematiku MKP výpočtů.

Výsledky práce byly prezentovány na výstavách EEICT 2008 (FEKT a FIT VUT Brno, STŘETECH 2008 (FSI ČVUT Praha) a v soutěži SOČ (krajské kolo 1.místo, národní kolo 6.místo). Práce byla také oceněna hejtmanem Kraje Vysočina a bude vystavována na mezinárodní výstavě středoškolských prací ESI-AMLAT 2008 v Limě (Peru). Výsledky byly také zaslány firmě VORTEC do USA.

Ondřej Řezníček, od září 2008 student 1. ročníku FS VUT Brno
Dr. Ing. Josef Příhoda, ředitel VOŠ a SPŠ Žďár nad Sázavou