先來看一則動畫
這種製冷技術可應用在烘焙成品的冷卻用途
工業上也有廣泛的應用,比如在銑床切削作業時,可使用冷空氣替代切削液來冷卻車刀
或是電控箱內的冷卻
甚至是空調背心
至於冷熱分離效應的機制,由於流入渦流管的高壓氣體具有壓力能,其絕熱膨脹的過程會將壓力能轉換成氣體的動能/速度。隨後在管內環繞前進的過程中,藉由旋轉的離心效應,形成靠近管壁處的氣體有較高的壓力與密度(絕熱壓縮造成溫度上升),在內圈的空氣壓力與密度則較低(絕熱膨脹造成溫度下降)。空氣在環繞前進的過程中,由於與管壁的摩擦,旋轉動能透過粘性耗散轉化為熱能(內能)。來到末端的調節閥時,外圈的熱空氣由此縫隙散逸至外界。剩餘的空氣則因被阻擋而以較低速度進入熱管旋轉氣流的中心返回,隨後通過渦旋產生器的中心孔洞彙集到冷端排出
壓縮氣體運動所造成的渦管效應源自於熱力學第一定律(能量守恆定律),可分以下幾個步驟來描述:
1. 進入的氣體透過絕熱膨脹冷卻,將熱量轉化為旋轉動能,此過程總焓(熱能+動能)是守恆的。
2. 絕熱膨脹冷卻的一個例子是空氣上升到高空時,由於大氣壓力降低而膨脹導致空氣冷卻,這是對流層垂直溫度梯度形成的原因。
3. 外圍旋轉氣體向熱端移動時,熱量從較慢移動的軸心流轉移到快速移動的外圍流。
4. 旋轉空氣的動能透過粘性耗散轉化為熱量, 與入口氣體相比,在熱端出口的溫度升高,等量氣體的總焓增加,熱氣攜帶較多的熱量排出至外界。
5. 其餘的氣體透過末端漏斗狀調節閥反向沿著軸心流向入口處,在該處有更多的熱量被傳遞到剛絕熱膨脹而冷卻的外圍流。軸心處由於離心效應的旋轉速度較慢,因此動能較小,總焓也較低。這種較低的總焓氣體穿過渦旋產生器的中心孔洞後,以較低的溫度離開冷端出口。
6. 透過渦流管將一團室溫的氣體分離成冷熱兩股氣流,看起來像是違背 熱力學第二定律 的Maxwell’s demon,其實仍然是符合增熵原理 △ S ≥ 0,有興趣瞭解計算過程的朋友們可參考這則影片 → Second Law of Thermodynamics: Hilsch Tube
結論:
渦流管冷卻器經由適當的設計,能將室溫壓縮氣體分離成 -40°C 與 +110°C的兩股氣流。無活動零件、輕巧便攜、無冷媒、無需用電、無火花風險、運行可靠免維護、製冷不產生任何廢棄物,只需經過濾的壓縮空氣即可達成製冷效果。
延伸閱讀
Maxwell’s demon imagined by physicists really exists inside our cells