ماخذ : ماهنامه تهویه مطبوع – شماره اول – فروردین 1382
ترجمه: مهندس محمدرضا حق روستا – مهندس داریوش شفیع زاده

لوله گردبادی در سال 1928 میلادی به طور اتفاقی توسط یک دانشجوی فرانسوی فیزیک کشف شد. جورج رنیکو هنگام آزمایش بر روی پمپ های گرد بادی متوجه شد که هوای گرم از یک طرف و هوای سرد از طرف دیگر خارج می شود. جورج آزمایش بر روی پمپ را فراموش و کار بر روی این دستگاه عجیب را برای بهره برداری اقتصادی از آن که بدون قطع های متحرک، هوای گرم و سرد تولید می کند، شروع کرد؛ و به زودی شکست خورد و لوله گردبادی در هاله ای از ابهام باقی ماند تا اینکه در سال 1945 ، رادلف هیلش فیزیک دان آلمانی با ارائه مقاله ای،
مطالعه بر لوله های گردبادی را آغاز کرد. لوله گردبادی با استفاده از هوای فشرده، بدون نیاز به انرژی الکتریکی و یا وجود قطعات متحرک و سیال مبرد دو خروجی جریان هوای سرد و گرم ایجاد می کند که بسته به نیاز می توان از هریک از این جریان ها استفاده کرد، ولی کاربرد اصلی لوله گردبادی در تبرید و خنک کاری است.

مکانیزم عملکرد

هوای فشرده وارد نازل محفظه چرخشی شده و حول محور استوانه می چرخد. این چرخش جریان اساس کار لوله گردبادی است. فشار خروجی از نازل به دلیل انبساط کاهش می یابد به طوری که عدد ماخ در خروجی محفظه چرخشی تقریباً به مقدار واحد می رسد، در این نقطه جریان حداکثر سرعت و حداقل دما را داراست. جریان چرخشی ایجاد شده، سطح مقطعی برابر با سطح مقطع لوله دستگاه داشته، لذا به همان فرم مماسی چرخشی از محفظه خارج می شود. با ورود مماسی جریان به داخل لوله وجود نیروی گریز از مرکز، هوا در نزدیکی جداره داخل لوله حرکت می کند و لذا یک خلأ نسبی در مرکز لوله بوجود می آید. جریان بتا حرکت مارپیچ به سمت انتهایی که شیر تنظیم وجود دارد پیش خواهد رفت. چراغ که فشار پشت نازل بیشتر از فشار محیط بوده و لذا گرادیان محوری فشار بین نازل و خروجی گرم لوله وجود خواهد داشت. با حرکت سیال به سمت انتهای گرم به مرور از سرعت آن کاسته شده و از شدت نیروی گریز از مرکز قادر به نگهداری سیال در نزدیکی جداره لوله نمی باشد. بدین ترتیب با حرکت جریان به سمت شیر تنظیم، قسمت مرکزی لوله نیز توسط سیال اشغال می شود و از طرفی به علت محدودیتی که شیر انتهای گرم در مقابل بوجود می آید. یا توجه به خلأ پدیده آمده در مرکز نازل، جریان شروع به بازگشت نموده و از خروجی سرد دستگاه خارج می شود. شکل (1) نمای کلی لوله گردبادی و جریان های خروجی از آن را نشان می دهد.

عامل اصلی در ایجاد هوای گرم و سرد در لوله های گرد بادی، فشار هوای ورودی است. نتایج تجربی راز نمونه های ساخته شده بیانگر افزایش دمای هوای گرم و کاهش بیشتر هوای سرد نسبت به افزایش هوای ورودی است.
به عنوان مثال برای هوای ورودی با فشار و دمای جریان هوای گرم و دمای جریان هوای سرد می باشد که اختلاف دمای دو جریان است.
حال با افزایش فشار ورودی به دمای هوای گرم و دمای هوای سرد می گردد که اختلاف دمای دو جریان می باشد.
از طرف دیگر افزایش دبی هوای فشرده موجب افزایش دمای هوای گرم و کاهش بیشتر دمای هوای سرد می گردد.
نکته قابل توجه در ساخت لوله گرد بادی، محل نازل ورودی هوای فشرده در محفظه چرخشی دستگاه است. معمولاً در راستای ایجاد جریان چرخشی دو نازل به طور مماسی در سطح مقطع محفظه چرخشی دستگاه در نظر گرفته می شود که فاصله بین دو نازل یکی از پارامترهای اساسی در لوله های گردبادی است به گونه ای که اگر چنانچه فاصله بین این دو نازل خیلی کم باشد، اختلاف دما بین جریان های هوای گرم و سرد ناچیز خواهد بود.
لوله گرد بادی در عین سادگی از نظر ترمودینامیکی و سیالاتی بسیار پیچیده می باشد و پژوهشگران تاکنون نتوانسته اند تحلیل جامعی از چگونگی فرآیند جدایش انرژی درون آن ارائه نمایند. شناخت و طراحی بهینه دستگاه نیاز به حل معادلات موازنه جرم، ممنتوم و انرژی برای جریان سیال تراکم پذیر در دستگاه مختصات سه بعدی استوانه ای دارد.

هوای فشرده

اجزا دستگاه

لوله های گردبادی از مکانیزم ساده ای تشکیل شده اند و مهم ترین نکته مربوطه، عدم وجود قطعات متحرک در داخل دستگاه می باشد. شکل (2) کلیه قطعات موجود در یک لوله گردبادی را نشان می دهد.
اجزا دستگاه عبارت اند از:
1- شیر تنظیم (درپوش هوای گرم)
2- بدنه لوله به همراه ورودی هوای فشرده
3- محفظه ایجاد جریان چرخشی
4- اورینگ
5- درپوش هوای سرد

مزایا و معایب

از آنجائی که در مراکز صنعتی و کارخانجات، خط هوای فشرده موجود می باشد و از طرفی چون لوله های گرد بادی به عامل محرک دیگری نیاز ندارند لذا بزرگ ترین مزیت لوله های گرد بادی عدم نیاز به انرژی حرارتی، الکتریکی و مکانیکی می باشد. کوچک بودن، سبک و کم حجم بودن، تعمیر و نگهداری آسان، هزینه ساخت پایین، امکان تنظیم دمای هوای سرد و گرم، قیمت ارزان، نداشتن قسمت متحرک، همگی از مزایای لوله های گردبادی بشمار می روند.

همچنین هوا در این دستگاه به عنوان یک مبرد بدون آلودگی های زیست محیطی محسوب می شود.
از طرف دیگر پایین بودن راندمان تبرید، نیاز به هوای فشرده و آلودگی صوتی از معایب لوله گردبادی بشمار می آیند.
شکل (3) طرح یک لوله گردبادی شرکت را نشان می دهد. این شکل علاوه بر به تصویر کشیدن عملکرد لوله، ابعاد کلی دستگاه کوچک بودن دستگاه را نشان می دهد.

کاربردها

با توجه به شرح عملکرد دستگاه، لوله های گردبادی اکثراً در زمینه های تبرید و خنک کاری بکار می روند. معمولاً در مواردی که به خنک کاری و سرد کاری در حجم کمی به کار مورد نیاز است و از طرف دیگر موقعیت مورد نیاز به لحاظ فیزیکی، پیچیده و غیرقابل دسترسی است از لوله های گردبادی استفاده می شود. به عنوان مثال در صنایع فولاد و سرامیک برای اندازه گیری های دوره ای از کوره و یا قطعات، کاربر با استفاده از یک لوله گردبادی می تواند محیط اطراف خود را خنک نگه داشته و در مدت زمان کوتاهی اندازه گیری را انجام دهد.