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Das '''Wirbelrohr''', auch bekannt als '''Ranque-Hilsch-Wirbelrohr''', ist eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich [[Gas]] in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.
[[Datei:Tube de Ranque-Hilsch.png|hochkant=2|mini|Das Funktionsprinzip]]
Georges J. Ranque entdeckte den Effekt 1928 und publizierte ihn 1933. [[Rudolf Hilsch]] lieferte 1946 die erste physikalische systematische Publikation basierend auf Ranques Entdeckung. Aufgrund der Verbesserungen an Ranques Konstruktion und der Wertigkeit seiner Arbeit wird der Wirbelrohreffekt heute als „Ranque-Hilsch-Wirbelrohreffekt“ bezeichnet.

== Aufbau und Betrieb ==
Unter Druck stehendes Gas (meist Luft) wird tangential in eine runde Wirbelkammer eingeblasen und dadurch in eine schnelle [[Rotation (Physik)|Rotation]] versetzt (über 1.000.000/min). Das Gas verlässt die Kammer durch unterschiedlich gestaltete axiale Luftauslässe:
* durch die enge Bohrung (im Bild links) tritt gekühlte Luft aus
* durch die gegenüberliegende Bohrung mit erheblich größerem Durchmesser tritt heiße Luft aus.

In technischen Anwendungen lassen sich Temperaturunterschiede von +20 °C bis −50 °C mit einer Druckluft von 6 bar erreichen, wobei der größere Teil des Luftstroms erwärmt wird<ref>{{Literatur |Autor=Joachim Dohmann |Titel=Thermodynamik der Kälteanlagen und Wärmepumpen |Verlag=Springer-Verlag |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2016 |ISBN=978-3-662-49109-6 |Kapitel=4.4 Ranque-Hilsch-Prozess |Sprache=de}}</ref>.

Im Betrieb entsteht ein charakteristischer Pfeifton von etwa 3 [[kHz]] mit einer [[Lautstärke#Beispiele|Lautstärke]] von etwa 120 [[Bel (Einheit)|dB]].

== Funktion ==
In der Kammer treten sehr hohe [[Zentripetalkraft|Zentripetalkräfte]] auf, die allein aber die beobachtete Trennung in einen äußeren warmen und einen inneren kalten Strom nicht bewerkstelligen können. Gesichert ist, dass der sehr laute Pfeifton mittels noch nicht vollständig verstandener Prozesse notwendig ist, denn sobald dieser durch angekoppelte absorbierende [[Helmholtz-Resonator|Resonatoren]] gedämpft wird, verringert sich die Temperaturdifferenz auf nur wenige Kelvin.<ref>Mark P. Silverman: ''And Yet it Moves: Strange Systems and Subtle Questions in Physics'', Cambridge, 1993, Chapter 6</ref>

Wirbelrohre haben einen im Vergleich zu herkömmlichen Kühlverfahren sehr niedrigen [[Wirkungsgrad]], werden jedoch für preiswerte Punktkühlung verwendet, wenn Druckluft verfügbar und der Lärm tolerierbar ist. Kommerzielle Modelle für industrielle Anwendungen können ein Temperaturgefälle von etwa 45 [[Kelvin]] erzeugen.

Wird es zur Kühlung an einer Bohr- oder Drehmaschine zur Metallzerspanung verwendet, entfällt die sonst nötige Reinigung von anhaftendem flüssigem Kühlmittel.

Mit [[Kompressionsmodul|inkompressiblen]] Medien wie [[Flüssigkeit]]en funktioniert das Wirbelrohr nur stark eingeschränkt.

== Literatur ==
* {{Literatur |Titel=The Ranque Hilsch Vortex Tube Demystified|Autor=André Kaufmann|Verlag=Springer Nature|Ort=Switzerland|Datum=2022|ISBN=978-3-030-89765-9|Sprache=en}}
* G. Ranque: ''Expériences sur la Détente Giratoire avec Productions Simultanées d'un Echappement d'air Chaud et d'un Echappement d'air Froid.'' In: ''J. de Physique et Radium'' 4(7)(1933) 112S.
* Rudolf Hilsch: ''The Use of the Expansion of Gases in A Centrifugal Field as Cooling Process.'' In: ''The Review of Scientific Instruments'', vol. 18(2), S. 108–13, (1947). translation of an article in ''Zeit. Naturwis''. 1 (1946) S. 208.
* Rudolf Hilsch: ''Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß.'' In: ''Zeitschrift für Naturforschung'', Bd. 1 (1946), S. 208–213
* H. C. Van Ness: ''Understanding Thermodynamics'', New York: Dover, 1969, starting on page 53. A discussion of the vortex tube in terms of conventional thermodynamics.
* C. L. Stong: ''The Amateur Scientist'', London: Heinemann Educational Books Ltd, 1962, Chapter IX, Section 4, The "Hilsch" Vortex Tube, S. 514–519.
* [[Jan Jozef van Deemter|J. J. van Deemter]]: ''On the Theory of the Ranque-Hilsch Cooling Effect.'' In: ''Applied Science Research'' 3, 174–196.
* M. H. Saidi und M. S. Valipour: ''Experimental Modeling of Vortex Tube Refrigerator.'' In: ''Journal of Applied Thermal Engineering'' Band 23, 2003, S. 1971–1980.
* R. T. Balmer: ''Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids.'' In: ''Trans. ASME, J. Fluids Engineering'' 110, Juni 1988, S. 161–164.

== Weblinks ==
* [https://www.uni-siegen.de/fb11/thv/personen/juk/wr/wr-grundlagen0109.pdf Das Wirbelrohr: Bemerkungen zu den Grundlagen und neuen energietechnischen Anwendungen] J. U. Keller, M. U. Göbel, R. Staudt (PDF; 1,2 MB)
* {{Patent| Land=US| V-Nr=1952281| Code=A| Titel=Method and apparatus for obtaining from alpha fluid under pressure two currents of fluids at different temperatures| A-Datum=1932-12-06| V-Datum=1934-03-27| Anmelder=La Giration Des Fluids SARL| Erfinder=Joseph Ranque Georges}}
* [http://www.visi.com/~darus/hilsch/ The Hilsch Vortex Tube] – A ''Scientific American'' article from the late 1960s or early 1970s (englisch)
* [http://fiktech.de/produkte/vortex-schaltschrank-kuehler Vortex Wirbelrohr Kühler] Hilsch-Ranque Vortex Tube physics demo (deutsch)
* [http://www.oberlin.edu/physics/catalog/demonstrations/thermo/vortextube.html Oberlin college] Hilsch-Ranque Vortex Tube physics demo (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Gastechnik]]
[[Kategorie:Kältetechnik]]
[[Kategorie:Thermodynamik]]
[[Kategorie:Maschinenakustik]]
[[Kategorie:Apparat (Verfahrenstechnik)]]

Wirbelrohr - Versionsgeschichte

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