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文 | 南柯归洵 编辑 | 南柯归洵 前言 
涡流管，也被称为兰克-赫尔胥涡流管，是一种机械装置，一个分离的压缩气体进入热流和冷流，从“热”端出来的气体可以达到200 °C （392 °F）的温度，从“冷端”出来的气体可以达到?50°C（-58°F），它没有活动部件。 压缩气体被切向注入旋流室，并加速至高转速，由于在管子末端的锥形喷嘴，只允许压缩气体的外壳在该末端逸出，其余的气体被迫在外涡流中以直径减小的内涡流返回，那么它的工作原理是什么？
概念原理 在热管理和散热领域，工程师和研究人员一直在寻求创新和有效的方法，以在各种应用中保持最佳温度，涡流管冷却技术就是这样一种引起广泛关注的巧妙解决方案。 由Georges J. Ranque在20世纪30年代开发，随后由Rudolf Hilsch改进，涡流管冷却现象仍然是一种从单一压缩空气源中分离热空气流和冷空气流的有趣且有效的方法。 
涡流管冷却技术的核心在于利用径向和轴向流动分离现象，这个过程是由伯努利原理和角动量守恒推动的，涡流管本身是一个简单的装置。 由一个带切向空气入口的圆柱体、一个调节输入流量的控制阀和两个出口组成，一个出口用于冷空气流，另一个用于热空气流，涡流管冷却过程背后的基本原理是将高压、高速压缩气流(通常是空气)转换成两股不同的气流。 
从涡流管的外周流出的热流和从涡流管的中心流出的冷流，这种分离是由于管内涡流运动的产生而发生的，当高速压缩空气进入切向入口时，它开始以螺旋模式旋转，形成涡流。 由于角动量守恒，靠近中心的气体失去了它的径向速度分量，沿轴向向地核移动，同时，外围附近的气体轴向速度降低，并被推向外壁，不同速度的气体的这种空间分离导致温度梯度的形成。 
涡流管的工作机理可以通过流体动力学和热力学的结合来理解，当压缩空气通过切向入口进入涡流管时，由于离心力的作用，其压力会迅速下降。 这种压降导致一部分气体以热的形式失去动能，因此，外层气体变得比内核更冷，外围附近较热的高速气体被压向热出口，在热出口处，气体可用于各种工业过程，甚至废热回收应用。 
涡流管冷却技术因其简单性、可靠性和成本效益而在各种行业和部门中得到应用，涡流管冷却广泛用于工业环境中，在制造过程中提供局部冷却，它可以用来冷却高温环境中的工具、机械部件甚至工人，从而提高整体安全性和生产率。 电子工业受益于涡流管冷却，用于电子元件和设备散热，随着电子设备的尺寸不断缩小，同时具备更高的处理能力，有效的冷却对于防止过热和确保最佳性能变得至关重要。 
涡流管冷却已经被开发用于冷却汽车内的特定部件，例如发动机舱或甚至驾驶室，其简单性和无移动部件使其成为维护和可靠性是关键问题的应用的一个有吸引力的选择。 涡流管冷却在医疗领域有潜在的应用，例如外科手术过程中的冷却或在医疗设备中提供温度控制，涡流管冷却可用于飞机中冷却航空电子设备，特别是在传统冷却方法不可行的狭窄空间中。 
最重要的优点之一是涡流管本身没有移动部件，这从本质上降低了维护要求，提高了冷却系统的可靠性涡流管冷却仅依靠压缩空气运行，无需额外的制冷剂或冷却剂，这导致了能源节约和环境足迹的减少。 涡流管是紧凑的，可以很容易地集成到现有的系统或作为独立的单位使用，这种便携性使它们适用于广泛的应用，涡流管设计的简单性有助于其在初始投资和运行成本方面的成本效益。 
涡流管冷却可以精确控制冷空气流的温度，这在需要特定温度范围的应用中至关重要，虽然涡流管冷却有几个优点，但也有一定的局限性和挑战。 在冷气流和热气流之间获得相当大的温差是一个挑战，温度分离受入口压力、流速和设计参数等因素的影响，涡流管冷却可能不如一些传统的冷却方法有效，特别是在需要高冷却能力的情况下。 
涡流管的冷却能力受到其尺寸和工作气体性质的限制，这使得它适合于局部冷却，而不是大规模冷却应用，涡流管冷却需要相对高压的压缩空气源，这可能需要使用压缩机，这会增加操作成本。 涡流管产生的冷空气流会经历温度波动，这可能不适合需要稳定和一致冷却的应用，涡流管冷却，一个从流体动力学和热力学中诞生的巧妙概念，已经在现代工程和工业应用中找到了它的位置。
通过利用角动量和压差的原理，这项技术有效地将压缩空气分离成热和冷气流，为不同行业提供本地化的冷却解决方案，虽然涡流管冷却具有简单、便携和节能等优点，但它也面临着温差、效率和冷却能力方面的挑战。 随着技术的不断发展，研究人员和工程师可能会探索优化涡流管冷却的方法，有可能解决其局限性并扩大其应用范围，在一个高效热管理对各行各业至关重要的时代，涡流管冷却证明了创新精神继续塑造着工程领域。
制造历史 工程学的历史被无数革新打断，这些革新彻底改变了工业和我们的生活和工作方式，在这些创新中，涡流管冷却是一项杰出的成就，提供了一种非常规的热量管理和冷却解决方案。 涡流管冷却的故事始于20世纪初乔治·j·兰克的开创性工作，20世纪30年代，法国物理学家兰克在流体动力学和传热学方面进行了开创性的实验。
他对极端条件下气体行为的着迷促使他开发了涡流管——一种无需任何外部能量输入即可将压缩空气分离成冷热气流的设备，兰克的涡流管是一种简单的装置，由一个带有切向入口和两个出口的圆柱形管组成，它标志着一种非常规冷却技术的开始。 虽然乔治·兰克的工作奠定了基础，但德国物理学家鲁道夫·希尔施扩展并完善了这一概念，导致了现在被称为兰克-希尔施效应的现象，在20世纪40年代，Hilsch的贡献极大地扩展了对涡流管行为和基本原理的理解。
他的著作发表于1947年，描述了控制这一现象的复杂的流体动力学和热力学，包括角动量守恒以及径向和轴向流动分离的产生，希尔施的工作激发了人们对涡流管现象的兴趣，尤其是在科学界和工程界。 研究人员开始探索这种独特冷却机制的潜在实际应用，为涡流管冷却的制造历史奠定了基础，20世纪50年代和60年代见证了涡流管从理论好奇到实际工程解决方案的转变。
工业界认识到涡流管冷却在局部冷却应用中的潜力，并寻求利用其优势的方法，制造过程需要有效的散热方法来防止过热并保持产品质量，涡流管为解决这些挑战提供了一种新方法。 在此期间，工程师和制造商开始试验各种设计和配置，以优化涡流管的性能，重点是在热空气流和冷空气流之间实现更高的温差，以及提高冷却过程的整体效率。
这些努力导致了具有增强的冷却能力和更精确的温度控制的改进涡流管设计的发展，随着涡流管制造技术和设计的改进，它们的应用扩展到了许多行业。 涡流管冷却的多功能性和简单性使其成为满足各种冷却需求的有吸引力的解决方案，在此期间出现的一些值得注意的应用包括，涡流管用于冷却工具、机械部件和生产线设备，他们的局部冷却能力提高了操作效率和产品质量。
涡流管被探索用于冷却车辆内的特定区域，如发动机舱和机舱空间，它们的紧凑设计和无运动部件使它们适合汽车应用，电子工业开始利用涡流管冷却来散热电子元件和设备。 随着电子技术的进步和小型化，这一点尤为重要，涡流管用于食品和饮料行业的冷却过程，有助于保持产品的新鲜度和质量，医疗部门认识到涡流管冷却的应用潜力，如医疗设备的温度控制和外科手术过程中的局部冷却。
尽管涡流管的应用前景看好，但制造涡流管也面临着一系列挑战，制造涡流管复杂几何形状所需的精度，包括切向入口和出口，需要先进的加工技术。 此外，实现一致和可靠的温差也是一个挑战，需要对入口压力和流速等参数进行精确控制，制造技术的进步在克服这些挑战中发挥了关键作用。
计算机辅助设计(CAD)和计算机数字控制(CNC)加工的出现使得涡流管的生产更加精确和可重复，这反过来有助于优化涡流管的性能，并增加其在各种行业的采用。 在当代，涡流管冷却技术在持续研究、创新和对高效冷却解决方案的需求的推动下不断发展，计算流体动力学(CFD)模拟的集成使工程师能够更深入地了解涡流管内的气体行为，有助于设计更加高效和有效的冷却系统。
此外，替代气体和工作流体的探索扩大了涡流管冷却的温度范围和应用，添加制造的出现，通常称为3D打印，也影响了涡流管的制造，这种技术允许以高精度制造复杂的几何形状，潜在地导致涡流管设计和性能的进一步发展。 涡流管冷却的制造历史证明了工程师和科学家的创新精神，他们不断推动热量管理和冷却技术的发展，从Georges J. Ranque提出涡流管到Rudolf Hilsch的改进，涡流管从理论概念到实际工程解决方案的过程中，充满了里程碑、挑战和进步。
涡流管冷却的工业应用、其在不同领域的应用以及制造技术的发展都有助于形成这种非常规但有效的冷却技术，随着行业继续优先考虑能源效率和有效的热管理。 涡流管仍然是一个引人注目的解决方案，体现了流体动力学，热力学和工程独创性的融合，未来有望进一步优化和扩大应用，确保涡流管作为先锋冷却技术的遗产得以延续。 神器的涡流管，也被称为兰克-赫尔胥涡流管。大量应用在中央空调，家用空调，商场空调，船只空调，极寒极热空调，雪糕厂，制冰厂中。
参考文献 【1】《喷气涡流纺纱技术及应用》李向东中国纺织出版社2019年1月 【2】《电涡流技术与应用》吴桔生中南大学出版社2014年8月 【3】《涡流检测》任吉林机械工业出版社2013年04月23日
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