Vom Wirbel zur reversiblen Thermodynamik
von Lothar Rohling

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Zweiter Teil

Im Jahre 1933 hat Ranque [2] eine interessante Anordnung beschrieben, die in einem druckluftbetriebenen "Wirbelrohr" die Luft in einen kalten und einen warmen Luftstrom teilt.

Wir entnehmen [3] folgende Darstellung:

Ranque-Wirbelrohr
Darin wird beschrieben:
R   Neusilberrohr, 9,2 mm Innendurchmesser
D Druckluftdüse 1,1 mm Durchmesser, tangential angesetzt
B Ringblende zwischen 1,4 und 2,4 mm variabel vor der Ausflußöffnung in Richtung Z
Z Ausflußöffnung des kalten Ausgangs
1-Z Ausflußöffnung des heißen Ausgangs

Wirbelrohr nach Ranque

Durch Einbau einer Luftdrossel im linken Rohrteil in großer Entfernung von der Düse kann das Verhältnis Z von austretender Kaltluftmenge zur Gesamtmenge beliebig geregelt werden. Die nach rechts entweichende kalte Luft entstammt dem achsnahen Gebiet der Wirbelströmung im linken Rohrteil.

Bereits Hilsch [4] weist auf S. 213 auf den Einfluß der Luftfeuchte und die Meßproblematik hin:

"Wahrscheinlich sind alle Ausbeuten in Wirklichkeit noch besser, denn erstens sind die Temperaturen sicher noch zu ungünstig gemessen, und es ist zweitens nicht berücksichtigt, daß die Kompressorluft Feuchtigkeit enthält, die sich im Kaltluftteil durch Eisnebel bemerkbar macht."

K.H. Schmidt [5] beschreibt in seiner experimentellen Untersuchung am Ranque-Wirbelrohr auf Seite 485:

"Von Interesse ist, daß die gemessene höchste Temperatur den theoretischen Werten näher kommt als die Kaltlufttemperatur, was so viel bedeutet, daß sich unvollständige Trennwirkung insbesondere auf den Kaltluftteil auswirkt."

Auch in dieser Arbeit wird der Temperaturverlauf an der Rohrwandung gemessen.

Zu erwähnen sind hier auch die theoretischen Arbeiten von F. Schultz - Grunow [6,7,8], in denen er das Paradoxon, daß ein kälterer Luftstrom an eine wärmere Wand Wärme abgibt wie im Wirbelrohr, mit dem analogen Paradoxon des W. Schmidtschen Wärmestroms [7] in der Atmosphäre vergleicht und vorschlägt, durch Einführen einer sogenannten "potentiellen Temperatur" als einen der wahren Temperatur überlagerten Begriff letztlich den "scheinbaren" Widerspruch zum II. Hauptsatz zu beseitigen. Er verweist außerdem auf die Arbeiten von E. Pohlhausen [9], die sich mit der Problematik der Temperaturmessungen und des Wärmeaustausches in strömenden Medien befassen.

Es soll hier darauf verzichtet werden, die wissenschaftshistorischen Arbeiten am Ranque-Wirbelrohr zu kommentieren, ungenaue und fehlerhafte Annahmen und Messungen zu beweisen. Das Ranque-Wirbelrohr findet heute in speziellen Gebieten eine praktisch-wirtschaftliche Anwendung und konnte in wesentlichen Punkten verbessert werden. Kleine Exemplare eines ausländischen Fabrikates [10] werden in Deutschland über eine Firma [11] vertrieben.

Wirbelrohr aus rostfreiem Stahl, Körper und Generator aus Messing. Die Ausströmdüse ist aus Delrin und ist für jeden Generator in Variante L und H erhältlich. Diese erlauben optimalen Wirkungsgrad. Für sehr kalte Luft, jedoch Kaltluftanteil unter 50%, wählen Sie L, für mäßig kalte Luft, jedoch große Luftmengen, wählen Sie H. Das Nadelventil ist ohne Werkzeug justierbar.

Der Druckluftstrom wird durch 6 Düsen stark beschleunigt in die Generatorkammer geschossen. Durch die tangentiale Einschußbahn entsteht in der runden Kammer ein Luftwirbel. Dieser wird durch die nachströmende Luft in das verengte Wirbelrohr gedrückt und dadurch stark beschleunigt (ca. 0,5 x 106 U/min.).

Am Ende des Wirbelrohres erzeugt ein eingebautes Nadelventil einen gewissen Rückstandsdruck, d.h. es tritt nur eine einstellbare Luftmenge aus dem "heißen Ende" aus. Bedingt durch die Ausbildung dieser Austrittsöffnung tritt in erster Linie die periphere Luftschicht des Wirbels aus, d.h. die am stärksten erhitzte Luftschicht.

Durch den Rückstandsdruck wird der andere Mengenanteil aus den inneren Luftschichten des Wirbels durch dessen Zentrum axial zurückgestoßen, wodurch eine sehr starke Abkühlung der Luftmoleküle erfolgt. Der Austritt dieser unterkühlten Luftmasse erfolgt aus dem entgegengesetzten "kalten Ende". Durch Öffnen oder Schließen des Nadelventils wird die Temperatur sehr fein variiert und kann über einen weiten Bereich eingestellt werden.

Regelcharakteristik

Tabelle 1 zeigt die Temperaturveränderungen am "kalten" und am "heißen" Ende in Funktion der prozentualen Luftmengen-Aufteilung. Die Messungen wurden mit trockener Druckluft von ca. 20°C durchgeführt. In der Meßkammer herrschte praktisch atmosphärischer Druck.

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http://fluidmotor.com/motor/wirbel2.shtml , zuletzt geändert 01. 08. 2010

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