Laatste nieuws:

EINDHOVEN, 15 juli 2012 10:39

Duiveltje van Maxwell ontmaskerd

Het is een simpel koelapparaat dat veel in de industrie wordt gebruikt maar voor velen een mysterieus en onbegrijpelijk ding is. De Ranque-Hilsch wervelbuis bezit geen bewegende delen en heeft alleen perslucht nodig om koude lucht voor plaatselijke koeling te produceren. Onderzoekers op een STW-project bij de Technische Universiteit Eindhoven hebben nu een theorie ontwikkeld die de werking van de buis goed beschrijft.

Schematische weergave van de gasbewegingen in een Ranque-Hilsch wervelbuis. Rood is warm, blauw is koud'
Schematische weergave van de gasbewegingen in een Ranque-Hilsch wervelbuis. Rood is warm, blauw is koud
1/1
De theorie voorspelt de temperatuur die het koelapparaatje levert. Metingen hebben aangetoond dat de voorspellingen uiterst nauwkeurig overeenkomen met de metingen. Het levert de onderzoekers de eerste publicatie ooit over dit onderwerp op in het gerenommeerde natuurkundige vaktijdschrift Physical Review Letters van 27 juli aanstaande. Meer inzicht in het scheidingsmechanisme dat zorgt voor het temperatuurverschil in de wervelbuis is relevant voor de productie van energie.
 
Een van de mooie raadsels in de natuurkunde is de zogeheten duivel van Maxwell (Maxwell's demon). Die lijkt de tweede hoofdwet van de thermodynamica te schenden. De wet zegt dat in een systeem met verschillende temperaturen, energie van een warm medium altijd naar een kouder medium toe beweegt. De Engelse natuurkundige James Clark Maxwell bedacht in de 19e eeuw een gedachte-experiment om die tweede hoofdwet te schenden. Neem een vat dat je met een geïsoleerd scherm in tweeën verdeelt. In het scherm zit een poortje dat door een wezentje alleen geopend wordt voor ‘hete' moleculen die naar één kant van het vat bewegen. Zo warm je de ene kant van het vat op en koel je de andere helft af. Lord Kelvin noemde dat wezentje enkele jaren later 'demon' en in het Nederlands is dat 'duivel' geworden.
 

Een duivel van Maxwell in de RHVT?

Zou er een duivel van Maxwell in de zogeheten Ranque-Hilsch wervelbuis (Ranque Hilsch Vortex Tube) zitten? Dit is een buis die gewoonlijk 20 tot 50 keer zo lang is als zijn diameter en die populair is voor geconcentreerde koeling bij bijvoorbeeld het bewerken van plastic en het koelen van elektronica. De buis bezit geen bewegende delen en heeft alleen perslucht nodig. Hij heeft aan één kant een opening die wat kleiner is dan de diameter van de buis en aan de andere kant een opening die even groot is als de buisdiameter. Dicht bij de kleine opening wordt de perslucht geïnjecteerd via een tangentiele inlaat. Een deel van de perslucht blijkt er aan de kleine opening afgekoeld uit te komen. De resterende lucht verlaat de buis aan de andere kant, maar dan opgewarmd. Er vindt dus thermodynamische scheiding plaats. Veel mensen vinden het apparaat daarom mysterieus en onverklaarbaar.
 
Nu is schending van de tweede hoofdwet van de thermodynamica onmogelijk. In plaats van het duiveltje van Maxwell moet een andere fysische verklaring zijn. Voor de thermodynamische scheiding in de wervelbuis zijn allerlei uiteenlopende verklaringen geopperd, die echter experimenteel heel lastig te toetsen zijn omdat het niet goed mogelijk is ín de buis te meten wat er precies gebeurt. In grote lijn gebeurt echter het volgende. De lucht wordt via één of meer inlaten de buis ingeperst, wat zorgt voor een sterke wervel. Richting buiswand wordt de lucht samengeperst, maar naar de lengte-as van de buis zet de lucht uit. In combinatie met turbulentie wordt de lucht dicht bij de wand verwarmd en koelt hij in het hart van de buis af. Het blijkt dat na een bepaalde tijd en bij een bepaalde afstand een maximale temperatuurscheiding wordt bereikt. Dat verklaart ook waarom een RHVT een optimale lengte heeft. Er ontstaan dus twee temperatuurregimes die voor een beweging van de opgewarmde lucht de ene kant uit en voor de afgekoelde lucht de andere kant uit zorgt. Het duiveltje van Maxwell is van zijn troon gestoten door de thermodynamica.
 

Nieuwe theorie

In de verschillende verklaringen is de druk in de inlaat voor de perslucht en de uitlaat van de afgekoelde lucht meegenomen als (belangrijke) parameters voor een modelbeschrijving, maar de druk aan de hete uitlaat is tot nog toe verwaarloosd. De onderzoekers op het STW-project, met als eerste auteur STW-promovendus Raoul Liew, hebben dat nu voor het eerst wel gedaan. De druk bij de warme uitlaat gedeeld door de druk bij de koude uitlaat geeft de gemiddelde drukverhouding tussen de samengeperste en de uitgezette lucht in de buis. Hiermee kun je meteen de temperaturen in de uitlaten berekenen. De onderzoekers hebben deze relaties in een model gevangen waarvan de voorspellingen over de temperaturen aan de uitlaten met hoge nauwkeurigheid blijken overeen te komen met de metingen. Het lijkt erop dat de onderzoekers het mysterie van de RHVT hebben ontrafeld. Het levert ze de eerste publicatie ooit over dit onderwerp op in Physical Review Letters, het meest prestigieuze natuurkundige vakblad ter wereld.
 
Het bredere doel van het STW-project waarin dit onderzoek wordt uitgevoerd is om meer inzicht te krijgen in de processen die voor de energiescheiding in de wervelbuis zorgen. Deze kennis is relevant voor de productie van energie. Te denken valt met name aan het scheiden van koolzuurgas en waterdamp uit aardgas of uit rookgassen.

"Maxwell's demon in the Ranque-Hilsch vortex tube", Raoul Liew, Jos Zeegers, Hans Kuerten en Wiktor. Michalek, Physical Review Letters, online editie van (voorlopige datum) 27 juli 2012.
 Liew en Zeegers: Faculteit Technische Natuurkunde, Technische Universiteit Eindhoven
Kuerten en Michalek: Faculteit Werktuigbouwkunde, Technische Universiteit Eindhoven
Kuerten tevens Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica, Universiteit Twente

Reacties

Er zijn nog geen reacties op dit artikel.

Hier kunt u een reactie plaatsen bij het bericht .
Uw e-mailadres zal niet op de website worden getoond.
Uw naam *
Uw E-mail *
Uw bericht *
  robot check
Vul de code van bovenstaand plaatje in.

Van onze partners meer (6)...

Rotero Holland bv

Rollon Lineairtechniek BV

B&R Industriele Automatisering BV

Perfection in Automation  

Bege Aandrijftechniek BV

EUCHNER (Benelux) BV

Pilz Nederland

Vacatures

ab op Twitter

TwitterlogoVolg ab nu ook op Twitter!

Onze accountnaam is: @aenb

Agenda meer (19)

23 oktober 2017 - Aken, RWTH
Optics Week
24 oktober 2017 - Gorinchem, Evenementenhal
Recycling 2017
31 oktober 2017 - Gorinchem - Evenementenhal
Metavak 2017
7 november 2017 - Rotterdam - Ahoy
Europort
8 november 2017 - Bad Salfzuflen (D), Messezentrum
FMB
8 november 2017 - Assen, TT-Hall
Main Industry
9 november 2017 - Nieuwegein, De Kom
Master of Safety
14 november 2017 - Utrecht, Jaarbeurs
Smart Homes & Intelligent Building

Geen nieuws meer missen?

Meldt u dan direct aan voor de gratis ab nieuwsbrief.

 

Knop nieuwsbriefMet de gratis ab nieuwsbrief wordt u wekelijks op de hoogte gehouden over het aandrijven en besturen nieuws. U ontvangt wekelijks het laatste nieuws en elke maand een themanieuwsbrief.

 

Direct aanmelden