Tin tức
Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ống xoáy phun khí nén làm mát
Th9
KHÓA HỌC NGẮN HẠN ỐNG VORTEX
Ống xoáy đã tồn tại hàng chục năm nhưng đôi khi nó vẫn bị các kỹ sư và nhân viên bảo trì hiểu nhầm, dẫn đến việc sử dụng không đúng cách và mang lại kết quả không như mong muốn. Bài viết này giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản của ống xoáy và hướng dẫn người dùng cách áp dụng hiệu quả để phát huy tốt nhất khả năng làm mát, sưởi ấm của nó. Sự chú ý đến mô hình đã chọn, cách điều chỉnh cho ứng dụng, chất lượng cung cấp khí nén và các điều kiện ở cuối ống xoáy có thể tạo ra sự khác biệt giữa ứng dụng thành công và ứng dụng thất bại.
LỊCH SỬ CỦA ỐNG VORTEX
Hiệu ứng ống xoáy lần đầu tiên được quan sát thấy bởi một nhà khoa học người Pháp, George Ranque vào năm 1933. Ông đã trình bày một bài báo về ống xoáy cho một hiệp hội khoa học vào năm 1933 nhưng nó đã vấp phải sự hoài nghi và không mấy quan tâm.
Sau đó, ống xoáy biến mất trong vài năm cho đến khi Rudolf Hilsch nghiên cứu nó và công bố phát hiện của ông vào năm 1947. Bài báo của Hilsch thu hút được nhiều sự quan tâm đến mức hầu hết mọi người đều nghĩ rằng ông đã phát minh ra thiết bị này nên nó được gọi phổ biến là ống Hilsch.
Năm 1961, một kỹ sư tại General Electric, Charles Darby Fulton, thành lập một công ty ở Cincinnati, Ohio có tên Fulton Cryogenics. Đây là công ty đầu tiên nghiên cứu chuyên sâu về ống xoáy và phát triển nó cho các ứng dụng công nghiệp cụ thể.
Năm 1968, Fulton Cryogenics trở thành Tập đoàn Vortec, mở rộng và cải tiến dòng sản phẩm ống xoáy để đáp ứng nhiều ứng dụng trong thị trường công nghiệp và thương mại.
Năm 1991, Illinois Tool Works mua lại Vortec, mở ra khả năng tiếp cận nhiều phương pháp công nghệ để nghiên cứu hoạt động bên trong của ống xoáy.
CHUYỂN ĐỘNG KHÔNG KHÍ TRONG ỐNG XOÁY
Không khí áp suất cao (nén) đi vào đầu vào và chảy vào không gian hình khuyên xung quanh máy phát điện. Khi nó tiếp xúc với vòi phun của máy phát điện, không khí sẽ mất đi một phần áp suất, nở ra và bắt đầu quay trong máy phát điện, nơi nó đạt vận tốc gần bằng âm thanh. Các vòi phun được định hướng sao cho không khí được bơm tiếp tuyến với chu vi của buồng phát điện. Toàn bộ không khí rời khỏi buồng phát điện và đi vào ống nóng. Lực ly tâm giữ không khí ở gần thành trong của ống nóng khi nó di chuyển về phía van ở đầu nóng.
Vào thời điểm không khí đến van đầu nóng, áp suất của nó nhỏ hơn áp suất thoát ra khỏi vòi phun nhưng lớn hơn áp suất khí quyển. Vị trí của van đầu nóng xác định lượng không khí thoát ra ở đầu nóng. Nó kiểm soát áp suất ở đầu nóng, trước van. Để tách nhiệt độ nóng/lạnh, nó chỉ được cho phép một phần không khí thoát ra ngoài. Không khí còn lại bị đẩy vào giữa ống nóng tạo ra dòng chảy ngược, tại đó, vẫn quay, chảy ngược trở lại đầu ra lạnh. Không khí chảy dọc theo chiều dài của ống nóng, qua tâm của buồng tạo xoáy và đến cửa thoát lạnh.
Nhớ lại rằng dòng không khí ban đầu trong ống nóng không chiếm giữ tâm ống do lực ly tâm. Do đó, nó tạo ra một con đường lý tưởng cho dòng bên trong đi theo. Điều này, kết hợp với sự chênh lệch áp suất đã đề cập ở trên giữa van đầu nóng và đầu ra lạnh, là lý do có hai luồng không khí quay tròn riêng biệt, một luồng quay bên trong luồng kia nhưng di chuyển ngược chiều nhau trong ống nóng.
Khi vị trí van đầu nóng thay đổi, tỷ lệ không khí nóng và lạnh thay đổi, nhưng tổng lưu lượng vẫn giữ nguyên. Do đó, lượng không khí thoát ra khỏi đầu lạnh có thể thay đổi trong phạm vi rộng đối với ống xoáy có kích thước nhất định. Thể tích của không khí lạnh được gọi là “phần lạnh”.
Thiết kế ống xoáy tốt tránh trộn lẫn dòng lạnh bên trong (phần lạnh) với dòng không khí nóng hoặc ấm bên ngoài. Nếu ống xoáy hoạt động ở nhiệt độ lạnh cao thì đường đi qua tâm máy phát phải đủ lớn để xử lý luồng không khí lạnh. Nếu không, nó sẽ làm cho một phần không khí lạnh bị lệch đi và trộn lẫn với luồng không khí nóng, gây lãng phí điện lạnh. Ở nhiệt độ lạnh thấp, kết quả mong muốn là một luồng không khí rất lạnh nhỏ. Nếu đường đi của máy phát điện quá lớn, nó sẽ cho phép một phần không khí ấm xung quanh bị cuốn theo và làm tăng nhiệt độ đầu ra lạnh.
Do đó, đối với bất kỳ ống xoáy nào có tổng lưu lượng cố định, đều có kích thước lỗ mở lý tưởng cho mỗi phần lạnh. Trên thực tế, người sử dụng ống xoáy sẽ muốn một trong hai chế độ hoạt động: làm lạnh tối đa (xảy ra ở khoảng 70% phần lạnh) hoặc nhiệt độ lạnh thấp nhất có thể (xảy ra ở khoảng 20% phần lạnh). Theo đó, Vortec cung cấp các ống xoáy với bộ tạo “H” (phần lạnh cao) được thiết kế để làm lạnh tối đa hoặc với bộ tạo “L” được thiết kế để tạo ra nhiệt độ thấp nhất có thể.
TÁC DỤNG TÁCH NHIỆT ĐỘ TRONG ỐNG VORTEX
Hãy nhớ lại rằng không khí trong ống xoáy có chuyển động phức tạp. Vòng không khí bên ngoài đang di chuyển về phía đầu nóng và lõi không khí bên trong đang di chuyển về phía đầu lạnh. Cả hai luồng không khí đều quay cùng hướng nhưng chảy đồng thời (ngược chiều nhau). Điều quan trọng nhất là cả hai luồng không khí đều quay với cùng tốc độ góc. Điều này là do sự nhiễu loạn dữ dội ở ranh giới và xuyên suốt hai dòng khóa chúng thành một khối không khí duy nhất có liên quan đến chuyển động quay.
Thuật ngữ thích hợp cho dòng bên trong là “xoáy cưỡng bức”. Điều này khác với một “xoáy tự do” ở chỗ chuyển động quay của nó được điều khiển bởi một lực nào đó bên ngoài chứ không phải sự bảo toàn mômen động lượng. Trong trường hợp này, luồng không khí nóng bên ngoài buộc luồng không khí lạnh bên trong quay với vận tốc góc không đổi.
Trong bồn tắm xoáy nước, một ống xoáy tự do được hình thành khi nước chảy xuống cống. Khi nước di chuyển vào trong, tốc độ quay của nó tăng lên để bảo toàn động lượng góc. Vận tốc tuyến tính của bất kỳ hạt nào trong xoáy đều tỷ lệ nghịch với bán kính của nó. Do đó, khi di chuyển từ bán kính một đơn vị đến cống có bán kính ½ đơn vị, một hạt tăng gấp đôi vận tốc tuyến tính của nó trong một xoáy tự do. Trong một xoáy cưỡng bức có vận tốc góc không đổi, tốc độ tuyến tính giảm đi một nửa khi hạt di chuyển từ bán kính một đơn vị đến cống ở bán kính ½ đơn vị.
Vì vậy, đối với tình huống trên, các hạt đi vào cống với vận tốc tuyến tính gấp bốn lần trong một xoáy tự do so với một xoáy cưỡng bức. Động năng tỷ lệ với bình phương vận tốc tuyến tính, do đó các hạt rời khỏi dòng xoáy cưỡng bức có động năng bằng 1/16 động năng của những hạt rời khỏi dòng xoáy tự do trong ví dụ này. Năng lượng (15/16 tổng động năng sẵn có) đi đâu? Bí mật của ống xoáy nằm ở đó. Năng lượng rời khỏi lõi bên trong dưới dạng nhiệt được truyền đến lõi ngoài. Lõi bên trong trở nên lạnh và lõi bên ngoài nóng lên.
Không khí trong dòng làm mát bên trong trước tiên phải đi qua dòng bên ngoài (sưởi ấm). Tại sao nó không nóng lên như khi nó nguội đi mà không có hiệu ứng làm mát thực sự? Hãy nhớ rằng tốc độ dòng chảy ở dòng bên ngoài luôn lớn hơn tốc độ dòng chảy bên trong, vì một phần của dòng bên ngoài đang được xả ở van đầu nóng. Nếu năng lượng (btus) rời khỏi dòng bên trong bằng năng lượng (btus) mà dòng bên ngoài thu được thì độ giảm nhiệt độ của dòng bên trong phải lớn hơn mức tăng nhiệt độ của dòng bên ngoài vì tốc độ dòng khối của nó nhỏ hơn. Đây là lý do tại sao nhiệt độ không khí nóng tăng khi phần lạnh tăng và tại sao nhiệt độ không khí lạnh giảm khi phần lạnh giảm.
TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẦU VÀO
Khi nhiệt độ của khí nén tăng hoặc giảm thì nhiệt độ của dòng khí lạnh và nóng được tạo ra cũng tăng theo. Nếu nhiệt độ khí nén tăng từ 70°F vào buổi sáng lên 80°F vào buổi chiều thì nhiệt độ không khí lạnh cũng sẽ tăng 10°F trong khoảng thời gian đó.
ĐẦU VÀO VS. ÁP SUẤT ĐẦU RA
Bảng hiệu suất ống xoáy (hoặc biểu đồ phần lạnh) hiển thị chênh lệch nhiệt độ nóng và lạnh có thể đạt được ở các cài đặt phần lạnh và áp suất đầu vào khác nhau. Bảng này dường như ngụ ý rằng nhiệt độ giảm và tăng ở một phần lạnh cụ thể có liên quan đến áp suất đầu vào của khí nén. Điều đó không hoàn toàn đúng. Sự chênh lệch nhiệt độ có liên quan đến tỷ lệ áp suất tuyệt đối giữa không khí đầu vào và đầu ra lạnh.
Bảng hiệu suất dựa trên giả định rằng không khí lạnh thoát ra ở áp suất khí quyển. Lấy ví dụ một ống xoáy hoạt động ở áp suất 90 psig (104,7 psia tuyệt đối) và với không khí lạnh thoát ra khí quyển (0 psig hoặc 14,7 psia). Điều này dẫn đến tỷ lệ giảm áp suất từ 7,1 đến 1 giữa đầu vào và đầu ra. Bây giờ, nếu áp suất đầu vào không đổi nhưng luồng khí lạnh bị hạn chế khiến áp suất đầu ra tăng lên 15 psig (29,7 psia), thì tỷ lệ giảm áp suất giảm xuống (104,7/29,7) 3,5 trên 1. Do đó, điều quan trọng là không nên hạn chế luồng khí lạnh thoát ra khỏi ống xoáy bằng cách lắp đặt các ống, phụ kiện, van có kích thước nhỏ hơn.
CUNG CẤP ÁP SUẤT KHÍ
Điều quan trọng không kém là không hạn chế luồng không khí lạnh thoát ra khỏi ống xoáy, điều quan trọng không kém là không hạn chế luồng không khí vào ống xoáy. Các bộ phận trong hệ thống cấp khí (ống, ống mềm, ống dẫn, van, phụ kiện, bộ điều chỉnh, v.v.) phải có kích thước phù hợp để không hạn chế dòng khí nén và gây sụt áp quá mức. Chỉ một bộ phận trong hệ thống khí nén có kích thước phù hợp có thể tạo ra sự sụt giảm áp suất quá mức, dẫn đến áp suất không khí thấp ở đầu vào ống xoáy.
Mặc dù các ống xoáy sẽ tạo ra sự phân tách nhiệt độ với áp suất không khí thấp tới 15 psig (1 bar), nhưng hầu hết các thông số kỹ thuật về hiệu suất đều được nêu với áp suất không khí 100 psig (6,9 bar) được đo tại đầu vào của ống xoáy.
HIỆU ỨNG ĐỘ ẨM
Ống xoáy không phân chia độ ẩm (hơi nước) giữa không khí nóng và lạnh. Độ ẩm tuyệt đối của cả luồng khí lạnh và nóng đều giống như khí nén đi vào. Độ ẩm sẽ ngưng tụ và/hoặc đóng băng trong không khí lạnh nếu điểm sương của nó cao hơn nhiệt độ. Sự ngưng tụ thường không xảy ra ở nhiệt độ không khí lạnh vừa phải. Tuy nhiên, khi nhiệt độ đủ thấp để gây ra sự ngưng tụ, nó sẽ xuất hiện dưới dạng “tuyết”. Tuyết có thể dính nếu có hơi dầu trong không khí. Tuyết có thể dần dần tích tụ bên trong và chặn đường đi của không khí lạnh.
Nếu hơi nước trong nguồn cung cấp khí nén có vấn đề thì có thể tránh được sự ngưng tụ và tuyết bằng cách lựa chọn cẩn thận máy sấy khí nén. Máy sấy phải được chọn dựa trên nhiệt độ không khí lạnh dự đoán thấp nhất. Đối với hầu hết các ứng dụng làm mát vỏ bọc, có thể sử dụng máy sấy lạnh có điểm sương áp suất từ 35 đến 40°F. Đối với các ứng dụng ống xoáy và súng hơi lạnh, nơi có thể cần nhiệt độ không khí cực lạnh, có thể cần một máy sấy loại hút ẩm tái sinh có điểm sương áp suất -40°F.
CUNG CẤP KHÔNG KHÍ
Nếu khí nén bẩn, nhờn hoặc ướt được cung cấp cho ống xoáy, bạn sẽ nhận được chất lượng không khí thoát ra như nhau và quan trọng hơn là hiệu suất kém. Theo thời gian, các chất gây ô nhiễm trong nguồn cung cấp không khí sẽ làm mòn hoặc tắc nghẽn các đường dẫn bên trong, dẫn đến hiệu suất làm mát giảm. Điều rất quan trọng là phải lọc và làm khô nguồn cung cấp khí nén đúng cách để loại bỏ các chất gây ô nhiễm trước khi chúng đến ống xoáy.
ISO 8573.1:2001 là tiêu chuẩn chất lượng khí nén quốc tế. Phần một của tiêu chuẩn xác định chất lượng khí nén mà nhà sản xuất chỉ định cho sản phẩm của mình. Có ba chất gây ô nhiễm được tiêu chuẩn phân loại: hạt rắn, hơi nước và dầu. Mỗi chất gây ô nhiễm được xác định bởi tối đa sáu loại. Ví dụ: Loại 3.4.2 có nghĩa là (1) 10.000 ppm từ 0,5 đến 1 micron và 500 ppm của hạt rắn có kích thước 1 đến 5 micron được phép trên mỗi mét khối khí nén; (2) không khí phải được sấy khô đến điểm sương có áp suất từ 37°F trở xuống; và (3) lượng hơi dầu trong không khí không được vượt quá 0,1 mg/m3. Dòng bộ lọc khí nén và bộ lọc kết hợp của ITW Vortec đáp ứng yêu cầu thứ nhất và thứ ba. Có thể cần đến máy sấy loại làm lạnh để đáp ứng yêu cầu thứ hai (xem phần trước “Hiệu ứng độ ẩm”).
Đối với ống xoáy, Súng hơi lạnh hoặc các sản phẩm ống xoáy có thể điều chỉnh phần lạnh khác mà người dùng có thể điều chỉnh sản phẩm để tạo ra không khí âm 5°F hoặc thấp hơn, nên sử dụng chất lượng không khí ISO 8573.1:2001 Loại 3.3.2. Đối với các sản phẩm làm mát vỏ bọc phân đoạn lạnh cố định, nên sử dụng chất lượng không khí Loại 3.4.2.
LỢI ÍCH CỦA ỐNG VORTEX, SO VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH KHÁC:
✔ độ tin cậy vượt trội
✔ không có bộ phận chuyển động
✔ Có thể điều chỉnh trong phạm vi nhiệt độ rộng
✔ không cần bảo trì
✔ nhỏ và nhẹ
✔ chi phí thấp
✔ khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt
✔ không có nguy cơ cháy nổ
✔ không tạo ra nhiễu RF
✔ làm mát và sưởi ấm tức thời
Khi được lựa chọn và áp dụng chính xác, các ứng dụng ống xoáy thành công bao gồm làm mát nhiều loại mặt hàng như thiết bị điện tử, mẫu khí, nhân viên làm việc trong môi trường nóng, dụng cụ cắt và phôi, bộ phận đúc, sản phẩm hàn nhiệt, kim máy may công nghiệp, composite và vật liệu cao su, cảm biến nhiệt, robot công nghiệp, v.v. Mặc dù các ứng dụng gia nhiệt không phổ biến như các ứng dụng làm mát, ống xoáy đang được sử dụng với kết quả tuyệt vời để làm khô sơn và mực, rút ngắn thời gian xử lý chất kết dính và làm ấm nhân viên làm việc trong môi trường lạnh.
BÀI VIẾT LIÊN QUAN:
Cách lựa chọn mã sản phẩm , vật liệu , đặc tính và thông số kỹ thuật cũng như yêu cầu của quý khách hàng.Mọi thắc mắc cần được giải đáp cũng như tư vấn và nhận báo giá xin liên hệ với thông tin bên dưới :
CÔNG TY TNHH TÂN HẢI : 453B Đường Chiến Lược, Khu Phố 6, Phường Tân Tạo, Quận Bình Tân, Thành phố Hồ Chí Minh
Email : tanhai.automation@gmail.com Phone and zalo: Mr Trung : 0397536266