Koeling via perslucht

Citation for published version (APA):de Rooij, J. A. P. (1991). Koeling via perslucht. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, VakgroepProduktietechnologie : WPB; Vol. WPA1043). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date:Gepubliceerd: 01/01/1991

Document Version:Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and pagenumbers.Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, pleasefollow below link for the End User Agreement:www.tue.nl/taverne

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:openaccess@tue.nlproviding details and we will investigate your claim.

Download date: 09. Nov. 2020

KOEllNG VIA PERSLUCHT

de Rooij J.A.P.

Eindhoven, maart 1991

verslag literatuurstudie, WPA nr.1043

Technische Universiteit EindhovenWerktuigbouwkunde

SAMENYATTING

De opdracht van deze IIteratuur studle was het onderzoeken wat er In de IIteratuur te vlnden wasover het koelen van produkten via perslucht. Olt moest gesplitst worden In: de snelheld van afkoelen.de lawaalproductle en de vervulllng van het te koelen produkt via de meegezogen omgevlngslucht.

Na langdurlg gezocht te hebben In boeken. verschHlende Indexen en via de cd-rom van deblbllotheek van het hoofdgebouw. bleek dat er zaer welnlg over te vlnden was.De gevonden artlkelen konden gesplltst worden In enerzljds koellng via een gewoon pllpJe waardoorde lucht ontsnapte en anderzljds de vortex buls.

Als de perslucht ontsnapt via het plJpJe. dan kan men berekenen wat de lawaalproductle Is. hetultstroomvolume. de maxlmale uittree snelheld en de temperatuur van de uittree lucht. Over degeluldsdemplng Is oo\< IIteratuur voorhanden maar dlt Is zeer welnlg. Over de vervulling van het tekoelen produkt via meegezogen omgevlngslucht Is niets te vlnden In de IIteratuur.

Het vortex buls principe werd In 1930 door Georges Ranque ontdekt. veel mensen geloofde hem nleten hadden geen Interesse In de buls. Rond 1945 pUbliceerde Rudolph Hilsch een artlkel over debuls, waarna deze bekend werd en voortaan Ranque-Hllsch vortex buls genoemd werd. of \<ortwegvortex bUls. Deze buls splltst de perslucht In twee stromen, de ene stroom wordt afgekoeld en deandere opgewarmd met de energle die ult de andere stroom onttrokken wordt. HlerblJ kan de koudelucht wei een verschilin temperatuur kriJgen van 70°C t.o.v. de perslucht. Het verschll tussen deperslucht temperatuur en de warme lucht kan oplopen tot 108°C.

INHOUDSOPGAVE

samenvattlng 1

1. Inleldlng 2

2. gegevens van lucht 3

3. warmteoverdracht 4

4. lucht algemeen4.1 expansle van perslucht 74.2 geluld 94.3 geluldsdemplng 10

5. Ranque-Hilsch vortex buls5.1 luchtbeweglng In een vortex buls 135.2 temperatuur 155.3 vocht 175,4 geluldsdemplng 18

6. transvector (Iuchtstroom versterker) 19

7. conclusle 20

IIteratuur 21bljlage 22

INLEIDING

BIJ de meeste bedrlJven Is perslucht aanwezlg en wordt voor allerlel doelelnden gebrulkt(bIJvoorbeeld: luchtschroevendraalers. nletmachlnes. clllnders. enz. enz). Het Is dus normaal dat dezelucht ook gebrulkt wordt voor het koelen van produkten.

De vraag was nu, wat er In de "recentelljke" IIteratuur te vlnden Is over het koelen vanprodukten via perslucht en over de volgende zaken die hler mee verbandhouden:

• de lawaalproduktle.• de snelheld waarmee gekoeld wordt.- het voorkomen van vervulllng via de

meegezogen omgevlngslucht.

2

GEGEYENS LUCHT

Moluculair gewlchtDlchtheld blJ 15°C en 1 barkookpunt blJ 1 barsmeltpuntgas constantekrltlsche drukkrltlsche temperatuur

28.96 kg/kmol1,21 kg/m3

-191 -194°C-212 -216 °C

287.22 J/Ki<g37.66 bar132.52 K

De luchtdruk en de dlchtheld van de lucht zlJn via de onderstaanda formulas te berekenen. dezeformules gelden tot een hoogte van 11 km.

P = P (l-~H) 5.25o 288

Po = 1013 mbarPo = 1, 225kg/m 3

H == hoogte [km]

3

WARMTEOVERDRACHT

De warmteoverdracht op een langsstromend medium, wordt berekend op de onderstaande manler.De kentallen die hlerbll een to! speleh zlln:

Nu = «*1 [Nusse1 t afh, van Pr en Gr ]A-

Re = v*l [Reynolds]v

Gr = g*13 P'/1 T [Grashof]v2

Ra = Gr'Pr [Rayleigh]

(l = warmteoverdrachts co~fflcl~ht [W1m2 K]I = overstroom lengte [m]A = warmte geleldlngs coefficient [W1m K]v = snelheld langsstromend medium [m/s]v = klnematlsche vlscosltelt [m2Is]9 = 9,81 m/s2

p = thermlsche ultzettlngs coefficient K 1

To= temperatuur op oppervtak [0 C)T.= temperatuur van de aanstromende lucht [0 C)

UU de label (zle biliage) haalt men t, v en Pr bl) de gemlddelde temperatuur.Hlerna berekend men Jl via onderstaande formule.

p _ 1 K- 1

T. + 273

Het Nusselt getal wordt berekend via onderstaande methodes.

Voor gedwongen convectle blJ platen geldt:

Als de stromlngomhoog gerlcht Is:

Ais de stromlng naarbeneden gerlcht Is:

N 3 -N3 117'3U - U gedwongen + J.vU vrJ.j

4

Het Nusselt getal voor vrlje convectle berekend men via onderstaande formules.

- Voor een verticale plaat geldt:

1

Nu = {0,825 + 0,387 [Ra f 1 (Pr) ('6 }2

9== E 1 + ( 0,492 ) 16

Pr

- Voor een scheef staande plaat o· !:.y!:.oo·:(gemeten vanult vertlcale positIe)

1 1 1

Nu = 0,56 (Ra c ' cosy) "4 + 0,13 (Ra 3" - Ra"!)

Ra == 10! 8,9 - 0,00178' yl.82 Ic

- Als de plaat een schulnte heeft van 60· <y <90·:Men moet nu ultgaan van een vertlcale plaat aileen de lengte I veranderd nu In 1==1 sin y.

Daar In de praktljk bl) gemlddelde Reynolds getallen door de vorm van de plaat en de turbulentlevan het stromende medium, nlet over het gehele oppervlak een lamlnalre grenslaag heerst, wordtNugedwonge" berekend via de volgende formule, die geldt voor zowel lamlnalre als turbulente stromlng.

2

1 + 2,443Re-O,1 (Pr 3" - 1)

1

Nu1am• = 0,664 .;rre Pr 3"

0,037 ReO,8 PrNUturb. =

Deze formules gelden In de volgende gebleden 10 < Re < 107 en0,6 < Pr < 2000.

5

Voor ean dwars aangestroomde buls of protlel, geldt de volgande formule voor Nusselt.

Nu = 0,3 + JNU~am. + NU~ur. Geldlg voor 10 < Re <107.0.6 < Pr < 1000

De formules voor NUlamlnal, en NUtu,bulent zlJn dezelfda als die gebrulkt worden voor platen.Nu geldt echter dat blJ ean buls 1=11:/2*0 an blJ een protlal (bIJv. aen rechthoeklg proflel) datI= dikte + breedte.

Invullen van Nu In de volgande formule,levert IX op.

Nu = ex·1A

Ult de hleronder staande formule voigt, dan de warmteoverdracht.

Q = «·A (To - T.. ) [W ]

A = oppervlakte [ m2 ]

6

EXPANSIE VAN PERSLUCHT

Als perslucht via een plJp, die van blnnen afgerond Is, In de atmosfeer verdwlJnt dan zullen degroolheden druk, temperatuur en snelheld zlch aanpassen aan de werklngsgraad van de opening.BeiangrlJk blj de berekenlng, met welke snelheld treedt de lucht naar bulten, Is de krltlsche druk dezeIs met de volgende formule te berekenen.

It

= <_2_>"i=lk+l

P1 = druk voor de opening,

Hlerult voigtPkr =O,528*P,

Als er sprake Is van bovenkrltlsche drukverhoudlng, dlt Is als de druk na de opening klelner Is danPk,. Hlerdoor expandeert de lucht In de plJp, waardoor ze na bulten treedt, tot Pk, en na de plJp tot deatmosferlsehe druk.ln dlt laatsle stuk veranderd de snelheld van de lucht nlet meer. De maxlmalehoeveelheld lueht die ulttreedt Is als voigt te berekenen.

P 1 ~Vmax

= _1 A <_2_ > 1t-1 2 R T KP2 K+l 1 k+l

P1 = druk voor de piJpP2 = druk na de pljpA = mlnlmale doorsnede pljp [m2

]

T, = temperatuur voor de plJp [K]R = 286,9 J/K·kgk = 1,4 voor lueht

[m 3 / s]

Is er echter sprake van onderkrltlseh drukverhoudlng, dlt Is als de druk P2 grater Is als Pkr, dan zal deexpansle In zlJn geheel In de buls plaatsvlnden. De maxlmale Ulttredende luehthoeveelheld Is dan alsvoigt te berekenen.

P P 1~ P 1t-1~v: = _1'A' ( _2 >It, 1 _ <_2 >-1-, 2 R T Kmax p p p 1 K - 1

2 1 1[m 3 / S]

Deze waarden voor VmlllC zlJn theoretlseh en dus In de praktlJk nlet berelkbaar, daar de stromlng altlJdweerstand ondervlndt die de straom afremt.

Wordt de lucht als deze de plJp verlaat meteen In de atmosfeer geleld.dan kan de maxlmaleluehtsnelheld C1>kr berekend worden via onderstaande formule. Deze Is eehter aileen brulkbaar als deplJp geen expansleplJp Is. Ook deze formule Is puur theoretlseh de berekende snelheld zal In depraktlJk dus ook noolt berelkt kunnen worden, net zoals de twee voorgaande formules.

T, = temperatuur voor de plJp [K]R = 286,9 J /K'kg

7

De ulttree temperatuur van de lucht kan berekend worden met de volgende formule. mlts de pllpweer nlet Is ultgerust als een expansleplJp. De temperatuur daalt tezamen met de druk totdat dezede krltische drukverhoudlng berelkt heeft. of gellJk Is geworden aan de omgevlngsdruk. Dezeexpansle geschledt geheel adlabatlsch. de warmte opname van de buitenlucht kan menverwaarlozen.

P lC-l= (_2.) -!C-

Pt T2 = temperatuur van ultlredende lucht.

8

GELUIO

Als perslucht vrlJ In de atmosfeer stroomt, dan ontstaan er In het turbulente gebled klelnewervelstromen die een hoog frequent geluld produceren.Deze frequentle Is te berekenen via de volgende formule:

F=S*..!:! [Hz]d

s = Strouhal factor (0,15 - 0,20)U = diameter gat [m]d = snelheld ultstromende lucht [m/s]

De geproduceerde lage frequentles zlJn van geen betekenls daar deze op een afstand van eonmeter al blJna nlet meer meetbaar zl)n.Oeze frequentle wordt echter wei duldellJk hoorbaar als tweeluchtstromen zlch mengen.Dlt gebeurt als twee ultstroom openlngen te dlcht bl) elkaar IIggen(mlnlmale afstand Is drle maal de diameter van de opening).

De geluldsterkte kan via de onderstaande formule berekend worden:

Lw=801ogU+201ogd+8 [dB]l.w ::: de totale geluldssterkte

d ::: diameter opening 1m]u = snelheld lucht [m/s]

De geluldsterkte op een bepaalde afstand van de bron wordt berekend via:- als de gelulds verspreldlng hemlsfeer Is.

~ = geluldsterkte op afstand rr = afstand [m]

- als de gelulds verspreldlng nlet hemlsfeer Is.

~ = geluldsterkte op afstand rr = afstand [m]

Ais twee verschlllende geluldbronnen mengen dan kan de geluldsterkte berekend worden, viagebrulkmaklng van flguut 1.De totale geluldsterkte van meerdere gellJke bronnen kan bepaalt worden via flguur 2.

!\.,,"-[".. .......

r-...~

AcId"IOft awelar unmac:ilieciiic:i*SchaUP..a'

3

L 2.5

1', ~.5!. ~.5

o 24 6 8 10 12 14O"'a,.nz dar SchaUpagal In dB

f1guur 1. [2]

10

8

Addition o'elchltarker 8dlaJlpaga'

~I'.

~i' '.

~~

./V

./2 3 4 5 6 8 10

Anzahl der 8chaUqueUen

flguur 2. [2]

9

GELUIDDEMPING

Om een zo laag mogellJke geluldsproductle te verkrlJgen, beglnt men met de keuze van een"blaaspl]p" type wat zo min mogell]k geluld produceert.

De hlerlangs afgebeeldetypen 3, 4, 5 producerentot 10 dB mlnder gelulddan de andere 2 typen.[7]

/luf".",I, h/lndlls·'1/ltl1I DUI' millmm DI/rthmtss«

Fl6rlrtngllichl'fll1IInIhtr1",,' 811ft1

Rln~/(JchdO~f

\ .

f

J

1

Ook zeer belangrljk Is dat de blnnenkant van het gat waardoor de lucht ulttreedt goed afgerond Isdaar, scherpe kanten een verhoglng van de geluldsproductle rond de 10 dB kan veroorzaken.Ais de geluldsproductle dan hog te hoog blljkt dan zal men met dempers moetetl gaah werken .De eenvoudlgste Is de absorptledemper, een type hlervan Is een buls gevuld met bljvoorbeeldglaswol, een groot tladeel hlervah Is dat er een redelljk drukverschll hodlg Is voor een redellJkedemplng.Een ander type absorptledemper Is hleronder afgebeeld.

Schllll·t Vatullltn IVI ,qu,lI, ~1U1tf1"mitI"lnll" Strllmu~ncll~.lt__________ DNckabf.n ~p

[1 )

10

Hlerbll wordt de lucht In ds kamer geleld en daarna via sen filter, veelal slnterbrons. In de atmosfeer.Een voordeel van deze demper Is de makkelljke bouw en de toenemende demplng blj toename vande 'requenUe.

De demplng kan berekent worden via:

D.10 logl 1+(~)a Ic.>,

c.> = 2xf (f=geluldsfrequenUe)c.>,= 1/RCC = capacltelt van het volumeR = weerstand van het filter

111

vC"'P+-­

K p.p • dlchtheld van de luch' Ikgfm3

]

K =1,4V '" volume 1m3

]

p.= atmosferlsche druk 110SP8]

11P • drukval blJ ultreeopen

qnt • massastroo~kgfs)

De hlerlangs staande formule veor w, Is zodanlg herschreven dat detnassastroom vervangen Is door de volumestroom [013/s).

Dlt type demper wordt vaak toegepast In handgereedschap door zljn klelne omvang en lage gewlcht.

Een ander type demper Is de resonantledemper. hlerbl) worden aile frequenUes boven fc*/2 verzWaktdoorgegeven. onder deze frequenUe vlndt versterklng plaats.

8c:hellquell, volumlnl"Id"t

.-JL.-_-1'1)

De grensfrequentle Is via onderstaande formule te berekenen.

1(_8_)2

f =.f2C A L Io 2 x

c == geluldsnelheld [m/s)a = oppervlakte deorsnede buls [m2

]

A !:: oppervlakte doorsnede kamer 1m2]

L == lengle kamer [m]I = lengle buls 1m)

(1)

11

BI) de bepaling van dtt tengte van de k~mer moel men er op letten dat deze "let een veelvoud Is vande golflengls daar er aOOsts' geen demplng optreedt, de kamer moet Julst een veelvoud zl)n van een!<wart of drls kwart van de golflengte.Door verhoglng van de snelhsld kan men de versterklng die optreedl bl) de grensfrequentle verlagen.Demplng berekenen via:

D-10tOGIQ\1 (dB!

I, • lengte van de expanslekamer [m]" • e"ectleve buislengte • bulslengte • 0,61 • bulsdlameterm· expansleverhoudlng (verhoudlng tussen oppervlakle doonmede kamer

en oppervlakte doorsnede buls)k • coAfflclAnt van de golnengte ... 2xf/c

AI deze coAfflclAnten moeten nu zo gekozen worden dat zoveel mogell)k 'requentles gedemptworden.Daar deze berekenlngen voor veel frequentles gedaan moeten worden, 'S het noodzakellJkhlervoor een computer te gebrulken.

Enlge voorbeelden van verkrl)gbare dempers staan hleronder afgebeeld.(7)

12

LUCHTBEWEGINa IN EEN VORTEX BUIS

In een vortex buls wordt een hoeveelheld perslucht gesplltst In twee afzonderlilke stromen. Asn deena stroom wordt warmte onttrokkan en aan de andere afgagevan,hlerdoor daalt de temperatuur vande ene stroom terwlll de ander warmer wordt.Deze dallng en stllglng van temperatuur kan Ingasteldworden, mat een ragalnauwkeurlghald van 1°C en met een stabHltalt rond de Ingaslalda tamperatuurvan O,56 C

uit:.laatwarme lucht:.

persluchttoevoer

uit:.laatkoudelucht

Het tangentlale tT10ndstuk Is radlaal getekend.(3]

Perslucht wordt op de Inlaat aangesloten en stroomt naar een rlngvormlge rUlmta rond de generator,vervolgens doot de openlngen van da generator. De lucht wordt door da expansle opgevoerd totsonlsch of praktlsch sonlsche snelheld. De openlngen zlJn gerlcht zodat de lucht tangentlaalge'inJecteerd wordt aan de omtrek van de generatlekamer. Vervolgens stroomt de lucht roterend naarde "warme" ultlaatzllde vart dl pllp. Centrlfugale krachten dwlngen bll de beweglng naar de "warme"kant de lucht naar de blnnenomtrek van de pllp.BII de regelklep aangekomen heelt de lucht een wat lagere druk dan bll de generatoropenlngen,echter lets hoger dan atmosferlsch. Aangenomen wordt dat de lucht Ban de "koude" kant vrllullstroomt. De druk even achter de regelklep Is hoger dan de "koude" uillaatkiep.De Instelllng van de klep bepaalt hoeveel lucht er via de "warms" kant ontsnapt. Het resterendegedeelte van de lucht stroomt door het cenlrum van de p1lp naar de "koude" kant, daarbll degenerator en een Inslelbus passerend.

Een kenmerk van een goede vortex buls Is het voorkomen van menglng van de twee luchtstromen.Ook bl) een grote hoeveelheld koude lucht moet blnnen de klelne generatlekamer de doorlaal grootgenoeg zlln om de lucht optlmaal te kunnen laten doorstromen, bl) een ie klelne opening zal eranders menglng van de twee luchtstromen optreden.Een lager koeleffect Is het gevolg.BII een klelne hoeveelheld koude lucht moet de opening Julst hlet te groot zlln, daar deze de warmslucht zal aantrekken en daarmee de temperatuur van de koude stroom verhagen.

13

Omdat er voor ledere bepaalde hoeveelheld koude lucht een Ideale opening Is en de vortex bulsmeestal wordt gebrulkt voor maxlmale hoeveelheld koude lucht (koude fractle 70 %) of voormlnlmale temperatuur (koude fractle 20%) zlln er twee Instelbussen namellik type H en L.Er zlJn drle maten van vortex bulzen:[3}

Hodel Cnpaclt:elt:en 1n l/minuut1-----··---- ------.----.-.---...------.--.-.----

t06

208

328

GO

315

1~ 30

115

430

2140

230

115

2860

Elke vortex buls Is dus brulkbaar voor drle capacltetten. dlt Is regelbaar via verwlsselbare generatorhulzen. BIJ elke generator horen twee Instelbussen (eenmaal type H en eenmaal type L).ModeI208Iseen ultzonderlng hierbilis Instelbus en generator een geheel. De capaclte/t van de bulzen Isvan 10 kJ/uur tot 632 kJ/uur.De gegevens van de tabel gelden blJ een Inlaatdruk van 7 bar, dezeluchtstroom Is evenredlg met de absolute Inlaatdruk.

In de Industrle wordt ook van een vrleslucht plstool gebrulkt gemaakt vooral voor puntkoellng. hlerlnIs een vortex buls verwerkt.Ultgaande van een perslucht temperatuur van 21°C en een druk van 7bar levert dlt plstoollucht van ongeveer 5°C bll een luchtdoorlaat van 5.2-7.1-11.8-16,6 liter/sec..Glt plstool heeft een capacllelt van ongeveer 264 kJ/uur

'\ rLIXI1li\ ..oml

,

COLO ounl"

• 7/1' -­------------- \ .-,..... ---- . :J'-- 1,3J4.0lAMlTER----I \mm::s .......-~ .

. \ -.. - HOtlXHAU8T

----.--- I

~'r"-'----'--......, ____l'F

Het vrleslucht plstool "606" [3]

14

TEMPERATUUB

In een vortex plJp beweegt een ultwendlge ring van lucht zlch naar de warme ultlaat en eentegengestelde luchtkern stroomt In tegengestelde rlchUng naar de koude ultlaat.Belde stromen roteren In dezelfde tlchtlng en met dezelfde hoeksnelheld. De Intensleve turbulenllekoppelt hen, voorzover het de roterende maS88 betreft tot een massa.De ultwendlge warme stroom (vrlle vortex) dwlngt de koude Inwendlge (gedwongen vortex) om metdezelfde hoeksr}elhekJ te roteren.

In een gedwongen vortex met een constant blilvende rotatlesnelheld zsl de lineaIre snelheld halverenals de afstand tot het mlddelpunt gehalveerd wordt. BIJ een vrJle vortex zal de snelheld zlch In zo'ngeval verdubbelen. Derhalve zal een vrlle vortex t.o.v. een gedwongen vortex een vier maal zo'nhoge snelheld hebben.De klneUsche energle Is kwadratlsch evenredlg met de IInealre anelheld zodat de deeltles welke deulUaat passeren van een gedwongen vortex een klneUsche energle vertegenwoordlgen van 1/16 vandie van een vrlle vortex. Het restant 15/16 wordt door de Inwendlge stroom als warmte aan deultwendlge stroom afgegeven. Waarom verspreldt de warmte zlch echter nlet gellJkmatlg over detwee stromen?Oil wordt vereorzaakt door het felt dat de hoeveelheld lucht van de ultwendlge stroom altlJd groter Isdan die van de Inwendlge.Een gedeelte van de ultwendlge stroom verlast de plJp Immers aan dewarme ultlaat. Nu neemt de ultwendlge stroom hetzelfde aantal calorleAn op als door de Inwendlgeafgegeven. Daar het volume van de centrumstreom klelner Is, zal de temperatuurdallng daarlnsterker zlln dan de sUlglng In de ultwendlge streom.

V.la onderstaande tabel Is het eenvoudlg om de temperatuur stlJglngen en dallngen te voorspellen. detabel Is gebaseerd op een nomlnale Inlaatlemperatuur van 21 °C maar kan ook gebrulkt worden voorandere temperaturen.

...._-_._-- ------ .-._.__ ..._-_._----Dt-uk Kauda fraclie in %bar 20

......_----____jj[::~~ ::~-.~Q:=-~ ~:~~o-_ =1930 80.__ ..•. _... -

2 42 40 37 34 29 24 189 1 ? 21 33 ~1.3 56 72

3 52 49 46 41 36 29 2211 21 25 41 52 60 83

4 58 55 51 46 40 33 2413 22 27 45 li8 ? ;~ 93

5 63 60 55 50 43 35 2614 24 33 17 62 77 98

I .6 66 63 58 53 4~ 37 28

14 2'- 36 50 65 8;), 103~V

7 '10 66. 62 56 48 39 2914 ') " ;H 51 G7 05 lOG(I.'

0 71 69 64 58 50 47 301'.1 20 39' [j I~ GO OG .108

- .~_.......- ..... ........._--_..... ..__ ...... - "--. ...-.-' ..._...- .. __•.• ___ ·'-'_-·0. ," -- -_ ..__ .- .._---_... - -----

De bovenste clJfers geve" de temperatuurdallng aan (koude lucht), de cursleve detemperatuurstllglng (warme lucht). t.o.v. de Inlaattemperatuur. Aile temperaturen In °C. (3)

15

Ais baslsprlnclpe geldt dat temperatuurstlJglngen en dallngen evenredlg zlJn met de absoluteInlaattemperatuUr( dus In KelvIn).voorbeeld:

• wat Is de temperatuur stlJglng en dallng blJ een koude fractle van 30%, werkdruk 7 baren een Intreetempetatuur van 93° C.

De tabel geeft een temperatuur dallng van 66°C voor 7 bar, 21°C Intree en 30 % koudefractle.Verhoudlng van Inlaattemperaturen: (93 + 273)/(21 + 273)= ca. 1,24De temperatuurdallng bedraagt 66 .. 1,24 = 82° C, ultlaattemperatuur Is dus93°C -82°C = HOC.Berekenlng van de temperatuurstlJglng gebeurt op dezelfde wlJze.

Worden de drukken hoger dan 9 bar dan kan het Joule Thompson effect het resultaat enlgszlnsveranderen. Het Joule Thompson effect Is de zeer gerlnge koellng die ontstaat blJ hat knlJpen vangashoeveelheden.De tabel kan de Indruk geven dat de dallngen en stlJglngen In temperatuur samenhangen met deInlaatdruk. Dlt Is nlet Waar zlJ hangen af van de verhoudlng tussen de drukken aan Intree kant en aande koude ultraat kant. De tabel Is gebaseerd op vrlJe ultstromlng aan de koude kant, als daartegendruk heerst dan kan de tabel nlet gebrulkt worden. De optreden stlJglngen en dallngen Intemperatuur kunnen dan veel gaan afWlJken van de tabel.

Het verschlJnsel dat aan de koude stromlng onttrokken warmte wordt afgegeveh aan de warme,wordt In de volgende formule Ultgedrukt.

kF ... (t,-tk- JT) = (100 - kF) * (tw-t, + JT)

KF = koude fractle %t, = Inlaattemperatuut [0 C)tk= koude lucht temperatuur [0 Clfw = warme lucht temperatuur [0 C)JT = Joule Thompson tempetatuur correctle (Is 2°C bll een werkdruk van 7 bar).

Via metingen met drte temperatuur opnemers kan nu gemakkellJk de koude fractle berekend worden.Vortex plJpen volgen deze formule zeer nauw, onafhankellJk van hun rendement, vooropgesteld datde pljp geTsoleerd Is.

16

VOCHT

De vortex plJp splltst wei de perstucht In warm en koud, doch nlet het vocht. De absolute vochtlgheldIn Gvocht/kglucht van zowel de koude als de warme luchtls gelilk aan die van de toegevoerdepersluchl.Dlt vocht zal condenseren en/of bevrlezen wanneer het dauwpunt hoger Is dan detemperatuur. De volgende tabel (3) geeft de hoeveelheld vacht aan welke de lucht In verzadlgdetoestand kan bevatten als een funclle van luchttemperatuur blJ een atandaard atmosferlsche druk van1 bar.

-]Ij -29 -23

~. kefvoch 1:/ - ] ueh l: ().) 0.2 (). Ij

A1s de druk slllgt dan neemt ook de hoeveelheld vocht af die de lucht kan bevatten bll een bepaaldetemperatuur.Wanneer bll ongewone omstandlgheden enlg vocht In de koude lucht zal heerslaan. dan heeft dltvoor gevolg dat voor ledere gram gecondenseerde waterdamp de koude lucht ongeveer 6°Cwarmer zal worden.Deze koellng Is echter nlet verloren gegaan. maar verschl]nt Weer aan de ultlaatals het neergeslagen vocht In dampvorm overgaal.

BII overschrlJdlng van de temperatuurgrens zal de condensalle als sneeuw neerslaan. doordat ermeestal oIledamp In de IUcht aanwezlg Is zal de sneeuw een kleverlge karakter krlJgen en eventueleluchtpassages kunnen laten dlcht sUppen.Gontlnu bedrlJf blJ lage temperaturen Is mogellJk als de perslucht goed gedroogd wordt, dezedrogers megen nlet van een chemlsch type zlln daar deze exotherm zlJn en meestal de persluchtverwarmen,waardoor een gedeelte van de koellng verloren gaal.

17

GElUIDSDEMplNG

De f1ulttoon die men kan Waarnemen blJ een werkende vortex bUls. worden nlet veroorzaak door desonlsche snelheden In de buls, maar door het ontsnappen van de lucht. Het geluld watwaargenomen wordt heert een sterkte van ongeveer 78 dB. Ult metlngen van een type buls Isgebleken dat dlt veroorzaakt wordt door 2 frequentle spectrums, namellJk van 2 tot 8 kHz en van 12tot 16 kHz.Een goed filter voor de warme kant en het Inkapselen van de vortex plJp met gelulds absorberendschulm • kan het geluld reduceren tot ongeveer 25 dB.

-Demplng aan de koude zlJde: Hler mogen de dempers hlet van stof of poreus zlJn • daar hun Idelneopenlngen snel door IJsvormlng kunnen verstoppen.Geluldsdempersmet schotten zlJn voor koude lucht het beste geschlkt, deze mogenechter maar een gerlnge weerstand hebben.

-Oemping aan de warme zlJde: Hler Is meestal geen demplng nOOlg daar hler veel mlnder luchtontsnapt dan aan de koude zlJde en dus ook rnlnder geluldprOOuceert. Is het echter nOOlg dan rnogen aileen hlttebestendlgedempers gebrulkt worden, daar de temperatuur op kan lopen tot wei100°C.

18

TRANSVEBIOR

Een andere mogelilkheld om zeer warme produkten mee af te koelen Is de transvector ofluchtstroom-versterker.

~-n-~I U , peraluchl

De werking hlervan Is als voigt, perslucht wordt viaeen klelne aanslultlng toegevoerd In een voor-kamer,hlerna verlaat de lucht de kamet via een rlngvormlgespleet van ongeveer 0,05 mm waardoor de lucht eensonlsche snelheld berelkt. Deze lucht wordt danafgebogen en In de transvector keel geleld, dezelucht zet dan de lucht In de transvector In beweglngwaardoor weer verse lucht word' aangezogen via deInlaat. Via de ultlaat stroom' nu ongeveer 20x zoveel lucht als via de perslucht toegevoerd.[3]

De temperatuur \Ian de ultstromende luch' Is gellik aan de omgevlngslucht, koellng Is dus aileenmogell)k als het om hete produkten gaat, zodat het temperatuur verschll groot genoeg Is.Berustend op het zelfde principe 21)n de volgende produkten verkrl)gbaar: gordl)n transvectoren enflo-gain mondstukken [3]. .

19

CONCLUSIE

Als men lucht via een pljpje laat ontsnappen, dan Is de maxlmale lucht die ulttreedt, de maxlmalesnelheld , de geluldsproductle en de temperatuur blJ de ultlaat te berekenen, maar deze zlJn zulvertheoretlsch. Wat de Invloed Is van de vorm van het pljpJe op al deze waarden heb Ik nlet kunnenvlnden. Over de vervulling via het meezulgen van omgevlngslucht Is helemaal nlets te vlnden, detransvector gebrulkt deze lucht zelfs, om de hoeveelheld ultstromende lucht te vergroten.

Over de vortex buls Is wei redellJk wat Informatle te vlnden, vooral via de fabrlkanten van dezebulzen. De Informatte die over de buls gevonden wordt In de IIteratuur heeft vooral betrekklng op hetgebrulk ervan In bepaalde sltuattes, maar nlet over de werking ervan.Ook hler Is geen Informatle te vlnden over het meezulgen van de omgevlngslucht, over het dempenvan de geluldsproductle wordt aileen gezegd dat het mogellJk Is. .Het Is zeker aan te bevelen de werking van de vortex buls op te nemen In een dlctaat, daar het hlereen mool voorbeeld Is van tegengestelde roterende 8tromlngen met warmte overdracht.

UltelndellJk kan men stellen dat er nlet veel Informatte aanwezlg Is over het koelen via perslucht.Een belangrljk gegeven wat ook nlet te vlnden was,ls hoe efflcl~nt luchtkoellng 18.De blljkt ook wei als men Informeert blJ leveranclers van perslucht apparaten, deze zeggen namelilkdat ze gewoon een pljpJe op het te koelen object rlchten en dat ze er een tweede blJzetten als blljktdat een plJpJe nlet voldoende Is.

Ult alles bllJkt wei, dat een onderzoek naar het koelen via perslucht gerechtvaardlgd Is. De vraag Isaileen of de Industrle proflJt van zo'n onderzoek heeft.

20

L1TERATUUR

(1) VOl Verlag, Pneumatlk kompendlum. Atlas Copco Deutschland Gmbh, Dusseldorf, 1977.

[2] Atlas Copco, Drucldufttechnlk. Alas Copco Deutschland Gmbh, Essen, 1977.

[3] Vortec Corporation, Cincinnati, Ohio, USA, 1990.

[4] Ter Horst ,Veldhoven ~nformatle over koelen via perslucht).

[5) Bruno ,Thomas J., Vortex cooling for subamblent temperature gas chromatography. Journal:Anal. Chem, 1986 Volume 58, Number 7, pages 1595-6.

[6] Bruno ,Thomas J., laboratory applications of the vortex tube. Journal: J. Chem. Educ, 1987,Volume 62, Number ii, pages 987-8.

[7] Charchut, W., Oruckluft Handbuch. Vulkan Verlag, Essen, 1979.2- auflage.

[8] VOl Verlag, Warmeatlas. Vereln Oeutsches Ingenlere VOI-Gesellschaft Verfahrenstechnlk undChemlelngenlerwesen (GVC), OOsseldorf, 1988.5- auflage.

[9) Beltz ,Wen KOttner, K.-H., Dubbel Taschenbuch fOr den Maschlnenbau.Sprlnger Verlag, Berlin,Heidelberg, 1990.

21

$

c

"Pp

h

temperatur In °c~ Isobarer Wlirmeausde~unJSkoernz.lent

bruck In bar (I/v)(&vlB1')p In 10- Ik.=J/v Olchte In k,/m~ " Wlirmeleltfllhlgkelt In lo-~ W/m K

spezlnsche Enthalple In kJ/kl fJ dynamlsche Viskosltlit In 10- 6 Pa s =10-6 kg/m sabsolute spezlnsche Entrople In kJ/kg k. 11 klnemallsche VlskoslUU In 10-7 m'l/s

p spezlnsche Isobare Wlhmekapazltllt In kJ/kg K a Temperaturleltfllhlgkelt In 10-7 m'l/sPr Prandtl-Zahl

Cha ra k terlstlsche G rOBen

Molare Masse M=28.96 kg/kmol. Gaskonstante R =287,22 J/kg K

Krilische ZlistandsgrO\.\en:

Pc =37.66 bar. 1~ =132.52 K bzw, "c =- 140,63 OCt Pc =313 kg/m3

Trlpelpunkt temperatur: 1. =60 K bzw, ". =- 213.15 °c

Storrwerte von luft belm Druck P = 1 bar.

" p II , cp (I A 'I 11 /I Pr-200 5,106 68,20 5,407 Ll86 17.24 6.886 4.997 9.786 1t.37 0.8606-180 U51 9M2 5.678 Iml 11,83 8.775 6.623 11.20 21.21 0,8086-160 3,126 HI.5 5.882 L036 9.293 10.64 1.994 25.58 32.86 0.7784-140 2.639 132.* 6.050 LOlo 1.126 12.41 9.294 35.22 46.77 0,1530-120 2.287 152.4 6,l92 1.014 6.657 14.26 10,55 46.14 61,50 0.1502-100 2.019 h2.7 6.316 LOll 5.852 16.02 11.77 58.29 78.51 0.742j- 80 1,807 192,9 6.421 L009 5.221 11,74 12,94 71.59 97.30 0.7357- 60 1.636 213.0 6.526 t,001 4.125 19,41 14m 85.98 Jl1,8 . 0.730t-·40 1.495 233.1 6.618 L007 4.313 21.04 15.16 101.4 139.1 0.7258- 30 t"33 243.2 6.660 J.007 4.133 21,84 15.10 109.5 t51.3 0.1236- 20 1,311 253.3 6.701 1.007 3.968 22.63 16.22 t 17.8 163.3 0.1215- 10 L324 263.3 6.740 L006 3.815 23.4t 16.74 126.4 IH.7 0.71960 t.21S 213.4 6,178 t,006 3.614 24,IB .,.24 135.2 t88.3 0.111910 1.230 2U.5 6.814 t.001 3.543 24.94 17,74 144,2 20t.4 0.116320 U88 293,5 6.849 t.001 ],421 25,69 1B.24 t53.S 214.1 0.1t4830 1.149 303.6 6,882 1.001 3.301 26.43 1B.12 163.0 228" 0.713440 t.t12 i13.7 6,915 t,001 3.200 21.16 19.20 112,6 242.4 0.112260 L045 uu 6.978 1.009 3.007 28,60 20.14 192.7 271.3 0.710080 0.9859 354.0 1.036 1,010 2.836 30.01 21.05 2t3.5 301.4 0.7083too 0.9329 374.2 7.092 1,012 2.683 31.39 21.94 235.t 332.6 0.7070120 0.8854 394.5 1,145 1,014 2.546 32,H 22.80 257.5 364.8 0.7060140 0.8425 414.8 1.195 LOl6 2.422 34.0B 23.65 280.7 398.0 0.70S4160 0.8036 435.1 1.243 1.019 2.310 35.39 24.48 304,6 432.1 0,7050180 0.7681 455.6 1.289 1.022 2,208 36.68 25.29 329.3 467.1 0.7049200 0.7356 476.0 1.334 1.026 2.115 37.95 26,Q9 35-4.1 503.0 0.7051250 0.6653 527.5 7.437 1,035 1,912 41,06 28.02 421.t 596.2 0.7063300 0.6072 519.6 1.531 1.046 t.745 44.09 29,86 491,8 694.3 0.1083350 0.5585 632.t 7.620 1.057 1,605 47.05 31.64 566.5 196,8 0.7109400 0.5170 685,3 7.702 1.069 1,486 49.96 33.35 645,1 903.8 0.7137450 0,4813 739,0 7.779 1,081 1.383 52,82 35,01 127.4 lots 0.1166500 0.4502 19M 7.852 1,093 1.293 55.64 36.62 8U,5 11 31 0,7194550 0.4228 848.3 7.921 1.105 1,215 58 .. 1 38.19 903.1 h51 0.7221600 0.3986 903,9 7.986 Lll6 ••I4S 61.14 39.71 996.3 1315 0.12416S0 0.3170 959.9 8.049 t.t26 1.083 63.83 41,20 t093 t503 0.1211700 0.3516 1016 8.10B U37 1.027 66.46 42.66 1193 1635 0.1295150 0,3402 1014 8.165 U46 0.9712 69,03 44,08 1296 l11t 0.1318800 0,3243 1I3t 8.220 1.155 0,93 t 7 1t.54 45.48 1402 1910 0.1342850 0.3099 1189 8.273 J,J63 0.8902 73.98 46.85 t512 2052 0.7368900 0.2961 1247 8.324 t.l11 0.8523 76,33 48.19 1624. 2197 0.73951000 0.2734 136$ 8.420 1.185 0.7853 80,17 50.82 ts59 2492 0.1458

(8)

22