VORTEKS TÜPLERÝ : 2 Enerji Ayrýþma Mekanizmasý ve Performans Karakteristikleri

Mehmet YILMAZ Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü Ömer ÇOMAKLI Prof. Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü Mehmet KAYA Dr., Türk Hava Yollarý Süleyman KARSLI Yrd., Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi, Pasinler Meslek Yüksek Okulu ÖZET VORTEKS TÜPLERÝ : 2 Enerji Ayrýþma Mekanizmasý ve Performans Karakteristikleri ABSTRACT 1928 yýlýnda, bir metalurjist ve fizikçi olan Fransýz bilim adamý Since its discovery in 1928 by a Frenchman, metallurgist Georges Joseph Ranque tarafýndan keþfedilmesinden and phycsist Georges Joseph Ranque, the vortex tube has itibaren, vorteks tüpleri, teorik ve pratik uygulama açýsýndan been the subject of considerable interest both from the oldukça ilgi çeken bir konu olmuþtur. Yaygýn olarak Ranquetubes, theoretical and practical application standpoints. These Hilsch Vorteks Tüpü ismi ile anýlan bu tüpler günümüzde çok widely called Ranque-Hilsch Vortex Tube, have found many applications and are being massçeþitli kullaným alanlarý bulmakta ve ticari firmalar tarafýndan manufactured by commercial companies. First section of seri imalatlarý yapýlmaktadýr. Ýki bölümden oluþan makalenin this article contains the classification of vortex tubes, the birinci bölümünde, vorteks tüplerin sýnýflandýrýlmasý, vorteks construction of vortex tubes, the working fluids in vortex tüplerin konstrüksiyonu, vorteks tüplerde kullanýlan akýþkanlar, tubes, the applications of vortex tube, and the vorteks tüplerin kullaným alanlarý ve vorteks tüplerin ticari commercial production of vortex tubes. The üretimi konularý incelenmiþtir. Ýkinci bölümü olan makalenin investigations on vortex tubes, the methods of bu bölümünde ise vorteks tüp araþtýrmalarý, vorteks tüp investigation on vortex tubes, energy separation inceleme yöntemleri, vorteks tüplerde enerji ayrýþmasý, mechanism, the parameters affecting performance, and vorteks tüplerin performansýný etkileyen parametreler ve the performance of vortex tubes are described in detail in vorteks tüplerin performansý konularý incelenmiþtir. this section of the article. Anahtar Kelimeler: Vorteks tüpü, enerji ayrýþmasý, performans, araþtýrma yöntemleri Keywords: Vortex tube, energy separation, performance, methods of investigation Giriþ Vorteks tüpler Ranque ve Hilsch'den sonra çok sayýda araþtýrmaya konu olmuþ ve sýcaklýk ayrýþým mekanizmasýný açýklamak ve performanslarýný etkileyen optimum parametreleri belirlemek amacýyla çok sayýda araþtýrmalar yapýlmýþtýr. Vorteks tüplerle ilgili yapýlan çalýþmalar deneysel çalýþmalar ve teorik çalýþmalar olarak kategorize edilebilir. Deneysel çalýþmalar kendi arasýnda dýþ çalýþmalar ve iç çalýþmalar olarak iki büyük sýnýfa ayrýlabilir [1, 2]: çalýþmalar; tüp uzunluðu ve çapý, giriþ lülesi konfigürasyonu, giriþ lüleleri sayýsý, orifis çapý, giriþ basýncý, giriþ sýcaklýðý, tüpü eðimli yapma vb. parametre/tasarýmlarýn performansa etkisini belirlemeye yönelik araþtýrmalarý içermektedir. (2) Ýç çalýþmalar: Ýç çalýþmalar; basýnç, hýz ve sýcaklýk profillerini ölçerek vorteks tüpü içerisindeki akýþý inceleyen araþtýrmalardýr. Dünyada Vorteks Tüp Araþtýrmalarý (1) Dýþ çalýþmalar: Dýþ çalýþmalar, vorteks borusu Ranque, 1928 yýlýnda yüksek basýnçlý bir gaz akýmýnýn elemanlarýnýn geometrisini deðiþtirmenin çalýþma birisi giriþ gazýndan daha sýcak diðeri giriþ gazýndan daha karakteristiklerine etkilerini inceleyen araþtýrmalardýr. Bu soðuk düþük basýnçlý iki akýma ayrýlabileceðini keþfetmiþtir. 42

Ranque, bu konuda 1932 ve 1934 yýllarýnda sýrasýyla Fransa ve Amerika'da patent almýþ ve Vortec adýnda ilk ticari firmayý kurmuþtur. 1946 yýlýnda Alman mühendis Dr. Rudolf o Hilsch, birkaç atmosfer basýncýnda ve 20 C sýcaklýðýndaki o o sýkýþtýrýlmýþ havanýn 200 C kadar sýcak ve -5 C kadar soðuk tüpünün çalýþmasýnýn termodinamiðin ikinci yasasýna aykýrý olmadýðýný ispatlamýþtýr. Mischner ve Bespalov [7] Ranque-Hilsch vorteks tüpünü, entropi üretimini baz alan yeni bir yaklaþýmla simüle etmiþlerdir. Saidi ve Yazdi [8] vorteks tüpün boyutlarýný ve çalýþma koþullarýný optimize etmek için ekserji analizini içeren yeni bir yaklaþým kullanmýþlardýr. Fulton, Deissler ve Perlmutter, Kurosaka, Lindestrom- Lang, Stephan vd., Nabhani, Ahlborn vd., Fitouri vd., enerji ayrýþmasý ile sýcaklýk ve hýz profillerinin teorik ve analitik tanýmlamalarýyla iliþkili yaptýklarý çalýþmalarla Ranque-Hilsch tüpün davranýþýnýn anlaþýlmasýna önemli katkýda bulunmuþlardýr [1, 2, 9-11]. Vorteks tüplerle ilgili ilk sayýsal akýþkanlar dinamiði (SAD) çalýþmasý Khalil ve Assaf [12] tarafýndan yapýlan karþýt akýþlý vorteks tüpün akýþ alanýnýn incelenmesine yönelik çalýþmadýr. Bundan sonra vorteks tüpünü SAD yöntemleri kullanarak analiz eden çalýþmalar artmaya baþlamýþtýr. Frohlingsdorf ve Unger [13] CFX Code'unu kullanarak vorteks tüpündeki akýþý nümerik olarak simüle etmiþlerdir. Aljuwayhel vd. [14] güç ayrýþma olayýný doðuran temel prosesleri anlayabilmek amacýyla vorteks tüpün SAD modelini baþarýlý bir þekilde kullanmýþlardýr. Behera vd. [15] tarafýndan, SAD kullanýlarak, lüle sayýlarýnýn, lüle arofillerinin, soðuk uç çapýnýn, uzunluk/çap oranýnýn soðuk ve sýcak gaz oranlarýnýn optimizasyonu yapýlmak suretiyle vorteks tüpünde yaptýklarý deney sonuçlarý ile karþýlaþtýrmýþlar ve SAD yöntemlerinin vorteks tüp dizayýnýnda ve vorteks tüplerin yeni uygulamalarda kullanýlmasýnýn belirlenmesinde baþarýlý bir þekilde kullanýlabileceðini göstermiþlerdir. Sýnýrlý sayýdaki bu araþtýrmalara raðmen, vorteks tüplerindeki akýþ profillerini SAD yöntemleri kullanarak simüle etmeye yönelik ciddi teþebbüslerin yetersizliði ortadadýr. Türkiye'de Vorteks Tüp Araþtýrmalarý Türkiye'de vorteks tüplerle ilgili yapýlan araþtýrmalar sýnýrlý sayýdadýr. Süleyman Demirel Üniversitesi'nde Ranque-Hilsch Vorteks Tüpünün Endüstriyel akýmlar üretebildiðini deneysel olarak ispatlamýþ ve bir hidrojen sývýlaþtýrma tesisinde vorteks tüp ile soðutma olayýný baþarýlý bir þekilde uygulamýþtýr [1, 2]. Ranque ve Hilsch'ten sonra vorteks tüpler, deneysel ve teorik birçok araþtýrmaya konu olmuþ, vorteks tüplerle iliþkili çok sayýda makale yayýnlanmýþ ve patent alýnmýþtýr. Bu makalenin kapsamý bunlarýn tümünden bahsetmeye yeterli olmadýðýndan aþaðýda önemli ve karakteristik olan bazý araþtýrmalar özetlenmiþtir. Rusya'da 1950'li yýllarýn baþlarýnda Odessa Institute of Refrigeration Technology'de Martynovskii ve Alexeev [3] tarafýndan vorteks etkisiyle ilgili sistematik araþtýrmalar yapýlmýþtýr. Bu çalýþmalarda karþýt akýþlý bir vorteks tüpte giriþ lülesi konfigürasyonu, giriþ lüleleri sayýsý, orifis çapý, boru uzunluðu ve çapý, nem, giriþ basýncý, giriþ sýcaklýðý ve farklý gazlarýn etkisi araþtýrýlmýþtýr. Stechkin ve Dubinsky ilk vorteks vakum aparatýný ve vorteks ejektörlerini geliþtirmiþ ve vorteks etkisiyle iliþkili teorik makaleler yayýnlamýþtýr [4]. Brodyansky ve Martynov'un yönettiði MEI (Moscow Power Engineering Institute) araþtýrma ekibi, vorteks tüpler ve gaz separatörleriyle iliþkili araþtýrmalar yapmýþlardýr [4]. 1954 yýlýnda Westley Bibliography and Survey of the Vortex Tube ismiyle bir literatür taramasý yapmýþtýr [4]. Vorteks tüpünü silindirik yerine konik yapmanýn etkilerini inceleyen çalýþmalar arasýnda Martynovskii ve Alekseev, Gulyaev, Raiskii ve Tunkel tarafýndan yapýlan araþtýrmalar sayýlabilir [1, 2, 3]. Hartnett ve Eckert, Takahama, Bruun, Soni ve Thompson, Piralishvili ve Polyaev vorteks tüp parametreleriyle iliþkili önemli deneysel çalýþmalar yapmýþlardýr [1, 2, 4]. Lewins ve Bejan [5] vorteks tüp sistemi performansýný Termodinamiðin birinci ve ikinci yasasýný kullanarak optimize etmiþtir. Silverman [6] basit bir analizle vorteks 43

Uygulamalarý isimli bir proje yapýlmýþtýr [17]. Vorteks tüplerin endüstriyel amaçlarla kullaným imkanlarýnýn araþtýrýlmasý amacýyla yapýlan projede, vorteks tüplerin fiziksel olaylarýndan yararlanýlarak, baca gazlarýnda zararlý olarak bulunan hafif ve aðýr bileþenlerin ayrýþtýrýlmasý hedeflenmiþtir. Özgür [18], yüksek lisans tez çalýþmasýnda; tüpe uygulanan basýnç, sýcak akýþ çýkýþ vanasý kesit alaný, soðuk akýþ çýkýþ çapý, giriþ lülesi çapý gibi vorteks tüplerin çalýþma kriterlerine etki eden faktörlerin performansa etkisini araþtýrmýþtýr. Özgür vd. [19] vorteks tüplerin soðutma amacýyla kullanýldýklarý alanlarý ayrýntýlý olarak incelemiþlerdir. Usta vd. [20] vorteks tüpünde akýþkan olarak hava ile oksijeni kullandýklarý çalýþmada, soðutma sýcaklýk performanslarýný deneysel olarak incelemiþlerdir. Hava içinde bulunan O 'nin vorteks tüpündeki soðutmaya 2 etkisinin havaya göre deðiþimini incelemek amacýyla O 2 gazýný seçmiþlerdir. Dinçer vd. [21] giriþ ve çýkýþ kütlesel debilerinin vorteks tüpünün performansýna etkisini deneysel olarak incelemiþlerdir. Kaya [22] Vorteks Borusundaki Türbülanslý Dönmeli Akýþýn Çok Pozisyonlu Sýcak Tel Yöntemi Ýle Ýncelenmesi ismiyle yaptýðý doktora tezinde tek eðimli sýcak tel probu için geliþtirilen çok pozisyonlu sýcak-tel yöntemini kullanarak vorteks borusunun hidrodinamik karakteristiklerini araþtýrmýþtýr. Türkiye'de çeþitli yöntemlerle elde edilen dönmeli akýþlarla iliþkili çok sayýda ýsý transfer ve akýþ karateristikleriyle ilgili çalýþmalar olmasýna raðmen, yazarlarca, Türkiye'de yukarýda belirtilenler dýþýnda vorteks tüpleriyle iliþkili çalýþmalara rastlanýlmamýþtýr. Vorteks Tüp Ýnceleme Yöntemleri Vorteks tüplerin karakteristiklerini incelemek için çeþitli yöntemler kullanýlmaktadýr. Akýþý incelemek için problarýn tüpe girmesini gerektiren geleneksel yöntemler kullanýldýðýnda büyük zorluklar oluþmaktadýr. Bu zorluklar arasýnda, subkritik akýþlarda atalet dalgalarýnýn probun önünde ve arkasýndaki tüm akýþ profilini bozmasý, akýþýn çok dönmesinin kendi iz bölgesinden etkilenmesine neden olmasý, bunun da yanlýþ ve çok çalkantýlý okumalara neden olmasý sayýlabilir. Bu zorluklarý ortadan kaldýrmanýn yolu, akýþ profilini incelemek için parçacýk görüntü hýz ölçeri (PIV, particle image velocimetry), lazer doppler hýz ölçer (LDA, laser-doppler anemometry) ve kýzýlötesi kamera gibi akýþa yerleþtirilmeyen modern yöntemler kullanmaktýr. Bu yöntemler akýþý bozmamasýna raðmen, vorteks akýþ kapalý bir akýþ olduðundan tüplerin eðrisel yüzeylerinin neden olduðu bozulan imaj problemleri oluþmaktadýr [1, 2]. Akýþ Görüntüleme Yöntemi Vorteks akýþ alanýnýn bölgelerini nitel olarak belirlemek için akýþ görüntüleme yöntemi çok kez kullanýlmasýna raðmen, bunlarý nicel hale getirmek nadiren baþarýlý olmaktadýr. Bu nedenle vorteks akýþ hýz alaný genellikle aþaðýda açýklanan diðer yöntemler kullanýlarak belirlenmiþtir [2]. Basýnç Problarý Bu yöntem, akýþtaki basýnç seviyesini ölçerek hýzlarý belirleme yöntemidir. Basýnç ölçmek için pitot tüpü veya daha kompleks basýnç problarý kullanýlýr. Bu yöntemin dezavantajlarý kalibrasyonlarýnýn zor olmasý ve dinamik yanýtlarýnýn olmamasýdýr. Okunan deðerler zaman ortalamalý deðerlerdir. Bazý problarýn büyük ebatlý oluþu okunan deðerin alan ortalamalý deðer olmasýna ve probun akýþ alanýný bozmasýna neden olur. Bu etkileþim vorteks tüplerdeki akýþlarda özellikle önemlidir. Çünkü vorteks akýþlar fiziksel etkileþime karþý oldukça hassastýr. Türbülanslý akýþlarla kullanýldýðý zaman basýnç problarý nedeniyle; (i)- sabit yoðunluklu akýþlarda hýz ve basýnç çalkantýlarýnýn neden olduðu hatalar oluþur, (ii)- deðiþken yoðunluklu akýþlarda ise hýz, basýnç ve yoðunluktaki türbülans çalkantýlarý nedeniyle hatalar meydana gelir [2, 23]. Sýcak Tel Anemometresi Sýcak-tel anemometresinin çalýþma prensibi, akýþ içerisine yerleþtirilmiþ ve elektriksel olarak ýsýtýlmýþ sýcak bir 44

tel veya filmden akýþkana taþýným yoluyla ýsý transferi esasýna dayanýr. Sýcak tel anemometre sistemleri; lazer doppler hýz ölçer gibi lazerli sistemlere göre oldukça ucuz olmasý, sistemin frekans cevabýnýn (özellikle sabit sýcaklýk anemometresi) çok yüksek olmasý, ölçüm yapýlabilmesi için akýþ alanýna partikül enjekte edilmesine gerek olmamasý, sadece prob deðiþikliði yapýlarak sýcaklýk veya iki, üç boyutlu akýþ ölçümünün mümkün olmasý gibi avantajlarýnýn yaný sýra, probun direkt olarak akýþ içerisine yerleþtirilmesinden dolayý akýþý bozma olasýlýðýnýn bulunmasý, yüksek hýzlardan dolayý telin kopma olasýlýðýnýn yüksek olmasý, katý yüzeylere çok yakýn bölgelerde ölçüm yapma zorluðu gibi dezavantajlarý da bulunmaktadýr [2, 23]. Lazer Doppler Hýz Ölçer Lazer Doppler Hýz Ölçer (LDA, laser doppler anemometry), akýþý rahatsýz etmeden, akýþ içerisinde asýlý duran yaklaþýk 1 m çapýndaki parçacýklarýn hareketlerinin doppler frekansý ile ölçülmesi prensibine dayanýr. LDA; kullaným maliyetinin yüksek olmasýna karþýn, akýþý rahatsýz etmemesi, bütün yönlerde hýz bileþenlerinin ve Reynolds gerilmelerinin ölçülmesine olanak saðlamasý, voltaj çýkýþýnýn hýz ile lineer olarak deðiþmesi, çözünürlüðün yüksek olmasý, kalibrasyon gerektirmemesi gibi avantajlara sahip olmasý nedeniyle tercih edilir. LDA, vorteks tüpe direkt uygulanabilir ve tüm akýþ alanýnýn haritasýnýn çýkarýlmasýný saðlayabilir. LDA'nýn bu avantajlarýna raðmen, vorteks tüpün eðrisel yüzeyleri, bazý optik problemler oluþturmaktadýr. Ayrýca, vorteks tüplerde kullanýmýnda, yüksek merkezkaç ivme nedeniyle gaz akýþkana enjekte edilen tüm partiküller tüp cidarýna yakýn kalmakta ve saçýlma merkezleri vorteks tüpün eksenel bölgelerine ulaþmamaktadýr. Bu durum ise, borunun merkezine doðru olan akýþ hýzlarýnýn doðru ölçülmesini engelleyebilmektedir [1, 2, 23]. Parçacýk Görüntü Hýz Ölçeri Parçacýk görüntü hýz ölçerin (PIV, particle image velocimetry) vorteks tüpün lens-benzeri eðrisel yüzeyleri tarafýndan bozulan imajý yorumlamadaki zorluklar ve sýnýrlý giriþi olan kapalý hacimleri aydýnlatmak ve fotoðrafýný çekmekte karþýlaþýlan geometrik sýnýrlamalar gibi problemleri vardýr [1]. Sayýsal Akýþkanlar Dinamiði Analizi Son yýllarda, vorteks tüplerdeki enerji ayrýþma olayýnýn mekanizmasýný açýklayabilmek için sayýsal akýþkanlar dinamiðini (SAD) kullanmaya yönelik çabalar artmaktadýr. SAD modelleri, güç ayrýþým olayý, farklý akýþkanlarý, giriþ sýcaklýk ve basýnçlarý, lüle açýlarý ve tüp geometrisi gibi vorteks tüp performansýný etkileyen parametreleri araþtýrmak için güvenli bir þekilde kullanýlabilir. Bu parametrelerin etkilerini nümerik olarak araþtýrmak, vorteks tüpü imal edip dizayn deðiþimlerini test etmekten daha az zaman alýcý ve daha ekonomiktir [16]. Vorteks Tüplerde Enerji Ayrýþmasý Vorteks tüplerde vorteks etkisi veya Ranque-Hilsch etkisi çok sayýda araþtýrmaya konu olmuþ ve bu etkinin varlýðý birçok deneysel çalýþma tarafýndan doðrulanmýþtýr. Hilsch, Deissler ve Perlmutter, Ahlborn vd., Kurosaka, Gutsol, Cockerill ve diðer araþtýrmacýlar Ranque etkisini açýklamak için çeþitli teoriler ortaya atmýþlardýr [1, 2, 10, 24, 27]. Sayýsý 10'u geçen bu teorilere raðmen günümüzde bile bu etkinin kesin bir fiziksel açýklamasýný tatminkar bir þekilde yapan tam bir teori halen mevcut deðildir. Bu teorilerin her birisi vorteks tüp cihazýnýn belli yönlerini açýklayabilirken, hiç birisi sýcaklýk ayrýþmasýnýn optimizasyonuna olanak tanýyacak yeterli açýklayýcý güce sahip deðildir. Bu teoriler aþaðýda özetlenmiþtir. 1. Santrifüj Kuvvetler: Ranque 1932 yýlýnda aldýðý patentinde, dönen gazýn tüp cidarýnda kalýn bir tabaka oluþturduðunu, santrifüj kuvvet nedeniyle iç tabakalarýn dýþ tabakalar üzerine basýnç uyguladýðýný ve sýkýþtýrdýðýný belirtmiþtir. Bu sýkýþtýrma sonucunda dýþ tabakalar 45

ýsýnmakta ve ayný zamanda iç tabakalar geniþleyerek 4- Katmanlý Akýþta Türbülanslý Isý Transferi: Schultz- soðumaktadýr [2]. Grunow ve Linderstrom Lang sýcaklýk ayrýþmasýnýn 2. Ýç sürtünme: Hilsch, giriþ alanýndaki vorteksin iç katmanlý akýþta türbülanslý ýsý transferi nedeniyle tabakalardaki basýncýn oldukça azalmasýna neden olduðunu ifade etmiþlerdir. Bu teoriye göre, enerji olacak þekilde bir basýnç daðýlýmý oluþturduðunu, ayrýþmasý, soðuk akýþ bölgesinden sýcak akýþ bölgesine basýncýn azalmasýnýn ise iç tabakalarda soðumaya yol doðru olan ýsý transferi nedeniyledir. Bu ýsý transferi, sýcak açtýðýný ifade etmiþtir. Hilsch'e göre ýsýtma, sürtünme akýþýn statik sýcaklýðýnýn, büyük kinetik enerjisi nedeniyle, etkileri sonucu oluþmaktadýr. Daha sonra yapýlan soðuk akýþýn statik sýcaklýðýndan gerçekten daha az araþtýrma sonuçlarýnýn da teyit ettiði gibi, vorteks tüpte olduðu periyod esnasýnda oluþur [1, 2]. sýkýþtýrýlmýþ dýþ tabakalar düþük hýzlara oysaki geniþlemiþ 5. Goertler Vorteksleri: Stephan vd. [9] yalýtýlmýþ ve olan iç merkezi tabakalar ise büyük hýzlara ve dolayýsýyla yalýtýlmamýþ tüplerde yaptýklarý deneysel çalýþmalarda yüksek kinetik enerjiye sahiptirler. Bu hýz daðýlýmý, farklý enerji ayrýþmasýnýn temel nedeninin Gortler vorteksi tabakalar arasýnda yüksek sürtünmeye neden olmakta olduðunu ifade etmiþlerdir. Gortler vorteksleri, konkav ve bunun sonucunda ise enerji, iç tabakalardan dýþ cidarlar üzerinde teðetsel akýþ tarafýndan üretilen bir sýnýr tabakalara doðru radyal olarak iletilmektedir [1, 2]. tabaka olayýdýr. 3. Akustik Etki: Kurosaka [24] 1982 yýlýnda vorteks 6. Ýþ Yapan Akýþkanýn Sýkýþtýrýlabilirliði: Amitani vd. tüpündeki enerji ayrýþmasýna farklý bir mekanizmanýn [25] sýcaklýk ayrýþmasýný, iþ yapan akýþkanýn neden olduðunu önermiþ ve bunu deneylerle sýkýþtýrýlabilirliðine baðlamýþlardýr. desteklemiþtir. Çok gürültülü hava, jet motoru veya 7- Ýç Bölgelerdeki Akýþkanýn Dýþ Bölgedeki Akýþkan vakum temizleyicide olduðu gibi vorteks tüpünden Üzerinde Ýþ Yapmasý: Vorteks tüplerin çalýþmasýyla iliþkili türbülanslý bir þekilde büyük bir gürültüyle akar. Bu en yaygýn kabul edilen teori, Fulton tarafýndan ifade gürültünün içinde "vortex whistle" olarak adlandýrýlan saf edilen ve Hilsch'in teorisine benzer olan teoridir. Gaz bir ton vardýr. Vortex whistle, gazýn sabit bir tüpe teðetsel akýmý tüp giriþ lülelerinden geçerek yüksek hýzla tüpe giriþi ve dönmesiyle üretilebilir. Kurosaka'ya göre, vorteks teðetsel olarak girer ve tüpün silindirik formu nedeni ile tüpündeki sýcaklýk ayrýþmasýna bu saf ton neden dönmeye baþlar. Böylece tüp cidarý yakýnýndaki olmaktadýr. Daimi olmayan tedirginliklerin olmamasý çevresel bölgede serbest vorteks oluþur. Çok yüksek durumunda, hava, boru ekseni civarýnda serbest vorteks açýsal hýzlarda dönen akýþ, merkezkaç kuvvetin etkisi ile olarak akar; havanýn hýzý merkezde sýfýra yakýn bir tüp cidarýna doðru açýlmaya zorlanýr. Bu etki neticesinde deðerdedir, orta yarýçap civarýnda maksimum olur ve tüp merkezindeki basýnç ile tüp cidarýndaki basýnç cidar civarýnda küçük bir deðere düþer. Bununla birlikte, arasýnda fark oluþur. Tüp cidarý ile tüp merkezi arasýnda akustik etki, hava hýzýnýn merkezden çevreye lineer olarak oluþan basýnç farký nedeni ile tüp merkezine doðru arttýðý bölgede serbest vorteksi zorlanmýþ vortekse radyal akýþ olur. Merkeze gelen akýþýn açýsal hýzý, açýsal dönüþtürür. Sadece statik santrifüj etki deðil, akustik etki momentumun korunumu ilkesi gereðince tüp ve zorlanmýþ vorteks üretimi de Ranque-Hilsch etkisine cidarýndaki akýþýn açýsal hýzýndan daha yüksek neden olur. Akustik etkinin, enerji ayrýþmasýnda deðerlere ulaþýr. Bu sebepten dolayý tüp içerisinde iki türbülanstan çok daha etkin olduðu deneysel sonuçlar farklý hýzda dönen iki akýþ oluþur. Merkezdeki akýþ daha ile de desteklenmiþtir. yüksek hýza sahip olduðundan cidardaki akýþý 46

ivmelendirmeye çalýþýr. Bu durumda merkezdeki akýþtan cidardaki akýþa mekanik enerji transferi gerçekleþir. olduðunu ifade etmiþlerdir. 2000 yýlýnda ise yeni teorilerini, adyabatik geniþleme ve sýkýþtýrma prosesli Mekanik enerjisinde azalma olan merkezdeki akýþ, soðuk klasik termodinamik çevrim olarak sunmuþlardýr [26]. akýþý; cidardaki sürtünme enerjisinin etkisi ile ve merkezdeki akýþtan aldýðý mekanik enerjinin etkisiyle de cidardaki akýþ, sýcak akýþý oluþturur. Ayný zamanda, vorteksin merkezi, dýþ tabakalardan daha soðuk olduðundan içe doðru bir ýsý transferi gerçekleþir. Vorteksin merkezine doðru oluþan ýsý akýþý, merkezden dýþarý doðru olan iþ akýþýndan daha düþük hýzda gerçekleþir. Bu olayýn sonucu olarak, dýþ gaz tabakalarý, kaybettikleri ýsý enerjisinden daha fazla kinetik enerji alýrlar. Bu iç enerjiye dönüþür, durma sýcaklýklarý yükselir ve kýsma valfinden yüksek sýcaklýða sahip gaz akýmý olarak tüpten çýkarlar. Tersine, eksenel gaz tabakalarý aldýklarý ýsý enerjisinden daha fazla kinetik enerji kaybederler. Bu, tüpe girerken geniþleme sonucu soðutulduklarý gerçeðiyle birlikte, durma sýcaklýklarýnýn azalmasýna ve orifisden düþük sýcaklýklý gaz olarak tüpü terk etmelerine neden olur (Þekil 1) [1, 2, 13]. c > h Tüp Cidarý 9. Özel Ýþ Yapan Akýþkan Ýle Ýliþkili Etkiler: Erdelyi soðuk ve sýcak gazýn sýcaklýklarý arasýndaki farkýn sadece kullanýlan gazýn tipine baðlý olduðunu ifade etmiþlerdir [1, 2]. 10. Durgun Elemanlarýn Santrifüj Ayrýþmasý ve Adyabatik Geniþlemesi: Gutsol [27] durgun elemanlarýn santrifüj ayrýþmasý ve adyabatik geniþlemesinin vorteks tüp sisteminde enerji ayrýþmasýna neden olduðunu öne sürmüþtür. 11. Vorteks Tüpündeki Entropi Üretimi: Mischner ve Bespalov [7] enerji ayrýþmasýyla iliþkili farklý bir teori ortaya atmýþlardýr. Bu teoride, enerji ayrýþmasýnýn nedeni, vorteks tüpündeki entropi üretimine baðlanmýþtýr. Vorteks Tüplerin Performansýný Vorteks tüplerin performansýný etkileyen parametreler; baðýmlý ve baðýmsýz parametreler olarak kategorize edilebilir. Baðýmsýz ve baðýmlý parametrelere ait deðiþkenlerin neler olduðu Tablo 1'de toplu halde verilmiþtir. Etkileyen Parametreler Þekil 1. Vorteks Tüpünde Radyal Enerjinin Þematik Gösterimi (EM mekanik enerji akýsý, ED: Difüz enerji akýsý) Vorteks tüplerle ilgili yapýlan araþtýrmalarda çok farklý tüp boyutlarý ve çalýþma koþullarý kullanýlmýþtýr. Deneysel çalýþmalarda kullanýlan vorteks tüplerinin çapý ve uzunluðu geniþ bir aralýkta deðiþmekte, lüleler ve orifislerin boyutlarýnda ve konfigürasyonlarýnda oldukça farklýlýklar görülmektedir. Bu nedenlerle, tüm çalýþmalar için geçerli olabilecek ortak sonuçlar çýkarmanýn zorluklarý ortadadýr. Buna karþýn, vorteks tüplerin 8. Isý Pompasý Mekanizmasý: Ahlborn vd. 1994 performansýyla iliþkili olarak günümüze kadar yapýlan yýlýnda vorteks tüpündeki sýcaklýk farkýnýn esas olarak normalize edilmiþ basýnç düþümüne ve gaza baðlý Vorteks Tüplerin Performansý çalýþmalardan çýkarlabilecek bazý önemli sonuçlar kategorize edilerek Tablo 2'de özetlenmiþtir. 47

Teþekkür: Bu makale Atatürk Üniversitesi Araþtýrma Fonu tarafýndan desteklenen 2005/20 nolu Vorteks Tüplerin Soðutma Tekniðinde Kullanýlmasý ve TÜBÝTAK tarafýndan desteklenen 105M028 nolu Vorteks Tüplerin Soðutma Tekniðinde Kullanýlmasý isimli projeler kapsamýnda hazýrlanmýþtýr. Yazarlar, destekleri nedeniyle Atatürk Üniversitesi Araþtýrma Fonu ve TÜBÝTAK'a teþekkür ederler. Tablo 1. Vorteks Tüplerin Performansýný Etkileyen Baðýmlý/Baðýmsýz Parametreler [1] 48

Tablo 2. Vorteks Tüplerin Performansýna Ait Karakteristik Sonuçlar 49

50 Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 554

Kaynakça Investigations Towards Optimizing the Parameters of RanqueHilsch Vortex Tube, International Journal of Heat 1. T. Coccerill, Thermodynamics and Fluid mechanics of a and Mass Transfer, 48. 1961 1973, 2005. RanqueHilsch Vortex tube, MSc thesis, University of 16. H.M. Skye, G.F. Nellis, S.A. Klein, Comparison of CFD Cambridge, 1998. Analysis to Empirical Data in a Commercial Vortex Tube, 2. N. Nabhani, Hot-wire Anemometry Study of Confined Turbulent Swirling flow, PhD Thesis, Bradford University, International Journal of Refrigeration, In Press, Corrected Proof, 2005. Bradford, U.K., 1989. 17. Ý. Üçgül, Ranque-Hilsch Vorteks Tüpünün Endüstriyel 3. V.S. Martynovskii and V.P. Alekseev, Investigation of the Uygulamalarý, Süleyman Demirel Üniversitesi Araþtýrma Vortex Thermal Separation Effect for Gases and Vapors, Projeleri Yönetim Birimi (SDÜBAP) Proje No: 03-M-658, Soviet Physics : Technical Physics, 26(2):pp. 22332243, 1957. Isparta, 2003. 4. Sh.A. Piralishvili, and V.M. Polyaev, Flow and 18. A.E. Özgür, Vorteks tüplerin Çalýþma Kriterlerine Etki Eden Thermodynamic Characteristics of Energy Separation in a Faktörlerin ve Endüstrideki Kullaným Alanlarýnýn Tespiti, Double-Circuit Vortex Tube - An Experimental Investigation, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Experimental Thermal and Fluid Science, 12, 399-410, 1996. Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2001. 5. J. Lewins A. Bejan, Vortex Tube Optimization Theory, 19. A.E. Özgür, R. Selbaþ, Ý. Üçgül, Vorteks Tüpler Ýle Soðutma Energy,24: 931-943, 1999. Uygulamalarý, V. Ulusal Tesisat Mühendisliði Kongresi ve 6. M.P. Silverman, The Vortex Tube: a Violation of the Second Law, Eur. J. Phys. 3, 88-92, 1982. 20. Sergisi, 387-397, 2001. H. Usta, K. Dinçer, V. Kýrmacý, Vorteks Tüpünde Akýþkan 7. J. Mischner, V.I. Bespalov, On the Entropy Generation in the Ranque-Hilsch tube, Forshung im Ingenieurwesen 67, Olarak Kullanýlan Hava Ýle Oksijenin Soðutma Sýcaklýk Performanslarýnýn Deneysel Ýncelenmesi, Teknoloji, Cilt 7, 1-10, 2002. Sayý 3, 415-425, 2004. 8. M.H. Saidi, and M.R. Yazdi, Exergy Model of a Vortex Tube 21. K. Dinçer, Þ. Baþkaya, Ý. Üçgül, B. Z. Uysal, Giriþ ve Çýkýþ System With Experimental Results, Energy, 24. 625-632, 1999. Kütlesel Debilerinin Bir Vorteks Tüpün Performansýna Etkisinin 9. K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang, and D. Seher, A Similarity Relation For Energy Separation In A Vortex Tube, Deneysel Ýncelenmesi, 14. Ulusal Isý Bilimi Ve Tekniði Kongresi, Isparta, 3-5 Eylül 2003. International Journal of Heat and Mass Transfer, 27(6):pp. 22. M. Kaya, Vorteks Borusundaki Türbülanslý Dönmeli Akýþýn Çok 911920, 1984. Pozisyonlu Sýcak Tel Yöntemi Ýle Ýncelenmesi, Doktora Tezi, 10. B. Ahlborn, J.U. Keller, R. Staudt, G. Treitz, and E. Rebhan, Limits of Temperature Separation in a vortex tube, J. 23. Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, 2005. H.H. Bruun, Hot-Wire Anemometry, Oxford University Phys.D: Appl. Phys., 27:pp. 480488, 1994. Press, 1995. 11. A. Fitouri, M.K. Khan, H.H. Bruun, A Multiposition Hot-Wire Technique for the Study of Swirling Flows In Vortex 24. M Kurosaka. Acoustic Streaming in Swirling Flow and the Ranque-Hilsch Vortex Tube Effect, J. Fluid Mech., 124. Chambers, Experimental Thermal and Fluid Science, 10, 139-172, 1982. 142-151, 1995. 25. T. Amitani, T. Adachi and T. Kato, A study on Temperature 12. E.E. Khalil and H.M.W. Assaf., Computer Modelling of Turbulent Recirculating Flows in Engineering Separation in a Large Vortex Tube, Japan. Soc. Mech. Eng., 49, 877-884, 1983. Applications, In Proceedings of the Second International 26. B. Ahlborn, JM. Gordon, The Vortex Tube as a Dassic Conference on Numerical Methods in Laminar and Thermodynamic Refrigeration Cycle, J Appl Phys; 88(6): Turbulent Flow, Venice, 1981. 3645, 2000. 13. W. Fröhlingsdorf, and H. Unger, Numerical investigations 27. AF. Gutsol, Vortex effect, Journal of Physical of the Compressible Flow and the Energy Separation in the Successes;167 (6):665 687, 1997. Ranque-Hilsch Vortex Tube, International Journal of Heat 28. P.K. Singh, R.G. Tathgir, D. Gangacharyulu, G.S. Grewal, and Mass Transfer, 42, 415-422, 1999. An Experimental Performance Evaluation of Vortex Tube, 14. N.F. Aljuwayhel, G.F. Nellis, S.A. Klein, Parametric and IE (I) Journal MC, Vol 84, 149-153, 2004. Internal Study of the Vortex Tube Using a CFD Model, Int J 29. K. Singh, Ranque-Hilsch Vortex Tube, Online. Available: Refrigeration 28 (3) 442450, 2005. http://sps.nus.edu.sg, 20 October 2005. 15. U. Behera, P.J. Paul, S. Kasthurirengan, R. Karunanithi, S.N. 30. B. A. Shannak, Temperature Separation and Friction Losses Ram, K. Dinesh, S. Jacob, CFD Analysis and Experimental in Vortex Tube, Heat and Mass Transfer 40 779785, 2004. Makalenin birinci bölümü Vorteks Tüpleri : 1 Teknolojik Geliþmeler Mühendis ve Makina Dergimizin Þubat 2006, 553. Sayýsýnda yayýmlanmýþtýr. 51