Experimental Investigation of the Effect of Different Working Fluid and Nozzle Material on Performance in Parallel Connected Counterflow Ranque-Hilsch Vortex Tube System

Abstract

In this study, an experimental system was formed by connecting two counter-flow Ranque-Hilsch Vortex Tubes (RHVT) having inner diameter of 7 mm and main tube length of 100 mm. The parallel connected counter-flow RHVT experimental system were used to conduct tests with three and five orifice nozzles made of Brass and Polyamide Plastic. In this experimental system, inlet air pressure between 2.0 and 7.0 bar pressure values with 1.0 bar increments using compressed air, oxygen and nitrogen. The difference between the temperature of the cold fluid outlet (T_c) and hot fluid (T_h) outlet from RHVT and cooling-heating performance was investigated experimentally by evaluating ∆T_RHVT (T_h-T_c). In this context, it is aimed to determine the optimum inlet pressure, working fluid, nozzle material and appropriate nozzle number of RHVT, which provides the best performance, and to fill the gap in the literature by examining it experimentally. When the experimental results are evaluated, the lowest Tc value is 238.25 K at 7.0 bar inlet pressure of nitrogen gas with five nozzle number produced from Brass material, 316.05 K and the highest ∆T_RHVT value at 7.0 bar inlet pressure of nitrogen gas with five nozzle number produced from Brass material. It has been determined that the nitrogen gas is 77.8 K at the inlet pressure of 7.0 with five nozzles made of brass.

Keywords

• Ranque-Hilsch Vortex Tube,Heating

Paralel Bağlı Karşıt Akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüp Sisteminde Farklı Çalışma Akışkanı ve Nozul Malzemesi Kullanımının Performansa Etkisinin Deneysel İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, iç çapı 7 mm, gövde uzunluğu 100 mm ölçülerinde iki adet karşıt akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüp (RHVT) paralel bağlanarak deneysel sistem oluşturulmuştur. Oluşturulan deneysel sistemdeki karşıt akışlı RHVT’lerde, Pirinç ve Polyamid Plastik malzemeden üretilmiş üç ve beş orfisli nozul kullanılmıştır. Oluşturulan deneysel sistemde giriş basıncı 2.0 ile 7.0 bar basınç değerleri arasında 1.0 bar aralıklarla basınçlı hava, oksijen ve azot kullanılarak RHVT den çıkan soğuk akışkan (T_soğ), sıcak akışkan (T_sıc) sıcaklığı ve RHVT performansı ∆T_RHVT (T_sıc -T_soğ) cinsinden deneysel olarak etkileşimini incelenmiştir. Bu kapsamda, en iyi performansı sağlayan RHVT’nin optimum giriş basıncı, çalışma akışkanı, nozul malzemesi ve uygun orfis sayısı belirlenerek literatürdeki eksikliğin deneysel olarak incelenerek tamamlanması amaçlanmıştır. Deneysel sonuçlar değerlendirildiğinde, en düşük T_soğ değeri Pirinç malzemeden üretilmiş beş orfisli nozul ile azot gazının 7.0 bar giriş basıncında 238.25 K, en yüksek T_sıc değerinin, Pirinç malzemeden üretilmiş beş orfisli nozul ile azot gazının 7.0 bar giriş basıncında 316.05 K ve en yüksek ∆T_RHVT değeri Pirinç malzemeden üretilmiş beş orfisli nozul ile azot gazının 7.0 bar giriş basıncında 77.8 K olduğu tespit edilmiştir. 

Keywords

• Ranque-Hilsch Vorteks Tüp,, Isıtma,Soğutma

References

1. [1] G. Xiangji, Z. Bo, L. Bo ve X. Xiang, “A Critical Review On The Flow Structure Studies Of Ranque–Hilsch Vortex Tubes,” International Journal of Refrigeration, c. 104, ss. 51-64, 2019.
2. [2] V. Kırmacı, “Seri ve Paralel Bağlı Karşıt Akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüpün Isıtma–Soğutma Performansının Karşılaştırılması,” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, c. 5, s. 4, ss. 159-168, 2017.
3. [3] K. Dincer, Ş. Başkaya, İ. Üçgül ve B.Z. Uysal, “Giriş ve Çıkış Kütlesel Debilerinin Bir Vorteks Tüpün Performansına Etkisinin Deneysel İncelenmesi,” 14. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi Bildiri Kitabı, Isparta, Türkiye, 2003, ss. 13-18.
4. [4] Z. Bo ve G. Xiangji, “Prospective Applications Of Ranque–Hilsch Vortex Tubes To Sustainable Energy Utilization And Energy Efficiency Improvement With Energy And Mass Separation,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, c. 89, ss. 135-150, 2018.
5. [5] Y. Xue, M. Arjomandi ve R. Kelso, “Energy Analysis Within A Vortex Tube,” Experimental Thermal and Fluid Science, c. 52, ss. 139-145, 2014.
6. [6] R. Balmer, “Pressure Driven Ranque-Hilsch Temperature Seperation in Liquids,” Journal of Fluids Engineering-Transfer of Asme, c. 110, s. 2, ss. 161-164, 1988.
7. [7] V. Kırmacı, “Experimental Investigation of Cooling -Heating Performance of Counter Flow Ranque-Hilsch Vortex Tubes Having Different Length Diameter Ratio,” Cumhuriyet Science Journal, c. 38, s. 4, ss. 813-821, 2017.
8. [8] A.E. Gürel, Ü. Ağbulut, A. Ergün ve İ. Ceylan, “Environmental and Economic Assessment Of A Low Energy Consumption Household Refrigerator”, Engineering Science and Technology, an International Journal, In Press, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.06.003.

9. [9] H. Kaya, F. Günver, O. Uluer ve V. Kırmacı, “Experimental Study About Performance Analysis Of Parallel Connected Ranque-Hilsch Counter Flow Vortex Tubes With Different Nozzle Numbers And Materials,” Journal of Heat Transfer-Transactions of The Asme, c. 140, s. 11, ss. 1–8, 2018.
10. [10] A.E. Özgür, “Vorteks Tüplerin Çalışma Kriterlerine Etki Eden Faktörlerin ve Endüstrideki Kullanım Alanlarının Tespiti,” Yüksek lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 2001, ss. 70.
11. [11] W. Fröhlıngsdorf ve H. Unger, “Numerical Investigations of Compressible Flow and the Eneryg Seperation in the Ranque-Hilsch Vortex Tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, c. 42, ss. 415-422, 1999.
12. [12] V. Kırmacı ve H. Kaya, “Effects Of Working Fluid, Nozzle Number, Nozzle Material And Connection Type On Thermal Performance Of A Ranque–Hilsch Vortex Tube: A Review,” International Journal of Refrigeration, c. 91, ss. 254-266, 2018.
13. [13] H. Kaya, F. Günver ve V. Kırmacı, “Experimental Investigation Of Thermal Performance Of Parallel Connected Vortex Tubes With Various Nozzle Materials,” Applied Thermal Engineering, c. 136, ss. 287-292, 2018.
14. [14] V. Kırmacı, H. Kaya ve İ. Cebeci, “An Experimental And Exergy Analysis Of A Thermal Performance Of A Counter Flow Ranque-Hilsch Vortex Tube With Different Nozzle Materials,” International Journal of Refrigeration, c. 85 ss. 240-254, 2018.
15. [15] K. Dinçer, Y. Yılmaz, A. Berber ve S. Baskaya, “Experimental Investigation Of Performance Of Hot Cascade Type Ranque-Hilsch Vortex Tube And Exergy Analysis,” International Journal of Refrigeration, c. 34, ss. 1117-1124, 2011.
16. [16] F. Günver, “Paralel Bağlı Karşıt Akışlı Ranque-Hılsch Vorteks Tüpün Enerji-Ekserji Analizlerinin Deneysel Olarak İncelenmesi,” Yüksek lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bartın Üniversitesi, Bartın, Türkiye, 2018, ss. 57.
17. [17] N. Li, G. Jiang, L. Fu, L. Tang ve G. Chen, “Experimental Study Of The Impacts Of Cold Mass Fraction On Internal Parameters Of A Vortex Tube,” International Journal of Refrigeration, c. 104, ss. 151–160, 2019.
18. [18] A. Khait, A. Noskov, V. Alekhin ve V. Bianco, “Analysis Of The Local Entropy Generation In A Double-Circuit Vortex Tube,” Applied Thermal Engineering, c. 130, ss. 1391-1403, 2018.
19. [19] K. Dinçer ve S. Başkaya “Ekserji Analiz Metoduyla Karşıt Akışlı Ranque Hilsch Vorteks Tüpün Tapa Açısının Ekserji Verimliliğine Etkisinin Değerlendirilmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 24, s.3, ss. 533-538, 2009.
20. [20] G. Önal ve K. Dinçer, “Experimental Study Of Performance Of A Counter Flow Ranque-Hilsch Vortex Tube With Inner Threaded Body,” International Scholarly and Scientific Research & Innovation, c. 7, s. 8, ss. 1706-1708, 2013.
21. [21] H. Kaya, O. Uluer, E. Kocaoğlu ve V. Kırmacı “Experimental Analysis Of Cooling And Heating Performance Of Serial And Parallel Connected Counter-Flow Ranquee–Hilsch Vortex Tube Systems Using Carbon Dioxide As A Working Fluid,” International Journal of Refrigeration, c. 106, ss. 297-307, 2019.
22. [22] J. Yun, Y. Kim ve S. Yu, “Feasibility Study of Carbon Dioxide Separation from Gas Mixture by Vortex Tube,” International Journal of Heat Mass Transfer, c. 126, ss. 353-361, 2018.
23. [23] M. Attalla, H. Ahmed, M.S. Ahmed ve A.A. El-Wafa, “Experimental Investigation for Thermal Performance of Series and Parallel Ranque-Hilsch Vortex Tube Systems,” Applied Thermal Engineering, c. 123, ss. 327-339, 2017.
24. [24] H.R. Thakare and A.D. Parekh, “Experimental Investigation & CFD Analysis of Ranque-Hilsch Vortex Tube,” Energy, c. 133, ss. 284-298, 2017.
25. [25] V. Kırmacı, O. Uluer ve K. Dincer, “Exergy Analysis And Performance Of A Counter Flow Vortex Tube: An Experimental Investigation With Various Nozzle Numbers At Different Inlet Pressures Of Air, Oxygen, Nitrogen And Argon,” Journal of Heat Transfer-Transactions of The Asme, c. 12, ss. 121701-121701, 2010.
26. [26] S. Subudhi ve M. Sen, “Review Of Ranque-Hilsch Vortex Tube Experiments Using Air,” Renewable & Sustainable Energy Reviews, c. 52, ss. 172-178, 2015.