Wirbelrohre™ (Vortex Tubes) Ein physikalisches Phänomen!

Was ist ein Wirbelrohr (Vortex Tube)?

Die zwei Fragen, die am häufigsten über Wirbelrohre gestellt werden sind, „Wie lange gibt es das schon?“ und „Wie funktioniert es?“. Nachfolgend erfahren Sie mehr über die Entstehungsgeschichte und das physikalische Prinzip der Vortex Kühler.

Das Vortex Tube wurde rein zufällig im Jahre 1928 erfunden. George Ranque, ein französischer Physikstudent, experimentierte mit einer Art Luftwirbelpumpe, die er entwickelt hat und stellte dabei fest, dass an einen Ende warme Luft und am anderen Ende kalte Luft ausströmte. Ranque kümmerte sich nicht mehr um seine Pumpe und gründete stattdessen eine Firma um das kuriose Gerät, das heiße und kalte Luft ohne bewegliche Teile erzeugt, kommerziell zu verwerten. Aber dieser erste Versuch der Vermarktung scheiterte und das Vortex Tube geriet in Vergessenheit bis 1945 Rudolph Hilsch, ein deutscher Physiker, eine viel gelesene wissenschaftliche Abhandlung zu Vortex Kühlern veröffentlichte.

Bereits viel früher unterstellte James Clerk Maxwell, ein großer Physiker des 19.Jahrhunderts, dass wenn Hitze dazu führt, dass Moleküle in Bewegung geraten, dann müssten wir eines Tages auch in der Lage sein, von dem selben Gerät heiße und kalte Luft mit Hilfe eines „kleinen freundlichen Dämons“ zu erhalten, der die heißen und kalten Moleküle aussortiert und separiert.

Daher ist das Vortex Tube auch unter verschiedenen Namen bekannt, wie „Ranque Vortex Tube“, das „Hilsch Tube“, das „Ranque-Hilsch Tube“ und „Maxwell’s Dämon“. Unter jedem dieser Namen hat es in den letzten Jahren seine Akzeptanz als einfache, zuverlässige und kostengünstige Antwort auf eine Vielzahl von industriellen punktuellen Kühlproblemen gefunden.

Vortex Kühler nutzen Druckluft als Energiequelle, benötigen keine beweglichen Teile und produzieren heiße Luft an einem und kalte Luft am anderen Ende. Das Volumen und die Termperatur dieser beiden Luftströme sind mit einem Ventil an der Heißluftseite regelbar. Temperaturen von -46°C und +127°C sind möglich.

Es gibt viele Theorien über die Funktionsweise des Vortex Tubes

Die gängigste Erklärung des Phänomens ist:

Dem Vortex Tube wird Druckluft zugeführt. Die Luft strömt durch Generatoren, welche tangential zu einer inneren Senkung angeordnet sind. Die Generatoren versetzen wiederum die Luft in eine Wirbelbewegung. Der sich drehende Luftstrom wird um 90° abgelenkt, erhitzt sich dadurch und läuft entlang des in der Folge heißen Rohres in Form einer drehenden Achse, ähnlich wie bei einem Tornado. Durch ein Ventil an einem Ende des Rohres kann etwas warme Luft entweichen. Die übrige Luft, die nicht entweichen kann, wird entlang des Rohres zwangsweise zurückgeführt als zweiter, innerer Wirbel innerhalb des Niederdruckbereichs des größeren Wirbels. Dieser innere Wirbel verliert an Wärme und verlässt das andere Ende als Kaltluft.

Während ein Luftstrom aufwärts und der andere abwärts strömt, rotieren beide in die gleiche Richtung mit gleicher Winkelgeschwindigkeit. Das heißt, ein Partikel des inneren Stromes beendet eine Rotation in der gleichen Zeit wie ein Partikel des äußeren Stromes. Aufgrund des Prinzips der Erhaltung des Drehmoments wäre zu erwarten, dass die Rotationsgeschwindigkeit des kleineren Wirbels zunimmt. Aber innerhalb des Wirbelrohres bleibt die Geschwindigkeit des inneren Wirbels erhalten, das heißt, das Drehmoment des inneren Wirbels geht verloren. Die verloren gegangene Energie tritt als Hitze im äußeren Wirbel in Erscheinung. Das ist der Grund, warum der äußere Wirbel warm wird und der innere Wirbel abkühlt.

Video zur Erklärung des Wirbelrohrprinzips