Wirbelrohr

Ein Wirbelrohr (engl. Vortex Tube) spaltet einen eintretenden Massenstrom in einen warmen und einen kalten Teilstrom auf. Der französische Erfinder Georges Joseph Ranque hatte bereits 1928 diesen Effekt entdeckt, doch er geriet in Vergessenheit und wurde 1945 durch den Deutschen Rudolph Hilsch wieder entdeckt. Deshalb wird der Effekt auch als Ranque-Hilsch Effekt bezeichnet. In dem US Patent 1952281 von Ranque ist der Aufbau ausführlich beschrieben. Heute werden Wirbelrohre in der Pneumatik zur lokalen Kühlung oder Erwärmung eingesetzt.

Der berühmte Physiker James Clerk Maxwell hatte einmal gesagt, dass, wenn Wärme nichts anderes als eine Molekülbewegung ist, dann wird es eines Tages auch möglich sein, die kalten und warmen Anteile mit Hilfe eines "kleinen Dämons" voneinander zu trennen. Er spielte damit auf den Carnot-Kreisprozess und die viel zitierte Entropievergrößerung an. Wärmekraftmaschinen benötigen zu ihrer Funktion ja nur eine Temperaturdifferenz. Diese könnte doch durch einen kleinen Dämon erzeugt werden, der die Teilchen im Arbeitsmedium beobachtet und nach ihrer Geschwindigkeit in zwei verschiedene Behälter sortiert. Dadurch würde eine Temperaturdifferenz entstehen, ohne das unmittelbar Arbeit dafür notwendig war, was eindeutig den 2. Hauptsatz der Wärmelehre verletzt.
Deshalb wird der Effekt auch liebevoll "Maxwell’s Dämon" genannt.

Professionelle Wirbelrohre können Temperaturen von -45°C und +110°C erreichen. Dieser Luftvorwärmer für Atemmasken der Firma Arbin hat z.B. eine Temperaturspreizung von +-20°C bei 4,5bar Arbeitsdruck.
Solche Wirbelrohre sind meist sehr teuer. Bereits mit einfachen Mitteln lässt sich ein Wirbelrohr selbst anfertigen, was zwar nicht so leistungsfähig ist, aber zumindest den grundsätzlichen Effekt zeigt.

1. Versuchsaufbau

Dieser einfache Aufbau besteht aus einem 215mm langen und 22mm dicken Kupferrohr, wie es für die Wasser- und Heizungsinstallationen verwendet wird. Der Lufteintritt erfolgt tangential, die Kaltluft wird am rechten Ende aus dem Rohrinneren entnommen und die Heißluft links von der Außenseite.
Der Austritt auf der Heißluftseite erfolgt über ein kegeliges Endstück, das über einen Schrauben verstellbar ist. Hiermit wird das Wirbelrohr abgeglichen. Es kann auf eine maximale Kühlung oder maximale Erwärmung eingestellt werden, wobei beides aber nicht im gleichen Arbeitspunkt auftritt. Die maximale Warmlufttemperatur erreicht man mit fast geschlossenem Regelventil, für die minimale Kaltlufttemperatur muss es hingegen etwas weiter geöffnet werden.

Das 6mm Lufteinlassrohr wird tangential an das Wirbelrohr gelötet, in dessen Außenwand sich die 2,5mm Einströmbohrung befindet. Wichtig ist, dass sie auf der Innenseite des Rohres genau tangential auftrifft, damit die Luftströmung einen sauberen Wirbel bilden kann. Es ist hilfreich, zuerst das Rohr anzulöten und erst dann das Loch zu bohren.
Wichtig für den Betrieb ist, dass wirklich mit ausreichend Druck gearbeitet wird. Ein Manometer auf dem Druckkessel, zeigt nicht an, wie viel wirklich noch an der Einströmöffnung des Wirbelrohres zur Verfügung steht. Bereits relativ kurze Leitungen können durch einen zu geringen Querschnitt einen erheblichen Druckabfall verursachen.
Mit diesem Aufbau lässt sich bei 6bar Versorgungsdruck mit 20°C Eintrittstemperatur eine Kaltluft von ca. 5°C und eine Heißluft von ca. 30°C erreichen.
 

2. Versuchsaufbau


Im 2. Schritt wurde ein etwas dünneres Messingrohr verwendet. Das Rohr muss an der Innenseite sehr glatt sein, damit der Wirbel nicht vorzeitig abreißt. An der Kaltluftseite wurde ein Gewinde angebracht, um mit verschiedenen Durchmessern beim Austritt experimentieren zu können. Die Bohrung dürfte aber mit ihren 3mm ohnedies den optimalen Durchmesser haben.

Mit diesem Aufbau lässt sich bei 6bar Versorgungsdruck mit 20°C Eintrittstemperatur eine Kaltluft von ca. -5°C und eine Heißluft von ca. 35°C erreichen.

Funktion

An dieser Stelle hört man immer wieder, dass die Luft ja überhaupt nicht in ihre kalten und warmen Bestandteile getrennt würde, sondern nur kalte Luft durch die Entspannung des eintretenden Gases und warme durch erneute Kompression erzeugt würde. Dem muss ich aber entgegen setzen, dass durch die Entspannung von 6bar Druckluft keinesfalls -45°C entstehen können. Wie wir von der Herstellung flüssiger Luft wissen, kühlt sich Luft bei der Entspannung pro bar Druckdifferenz um nur 1/4°C ab. Mit 6 bar erreichen wir so maximal 1,5°C. Es muss also schon ein anderer Vorgang ablaufen, der so hohe Temperaturdifferenzen entstehen lässt.
Somit ist das Wirbelrohr sicher auch ein "heißer" Tipp zur Luftverflüssigung. Man müsste mindestens 4 optimal funktionierende Röhren hintereinander schalten und sicher auch mit einem großen Anfangsdruck arbeiten, damit für das letzte überhaupt noch etwas übrig bleibt.

Die nahe liegendste Erklärung wäre wohl, dass die Luftmoleküle aufgrund ihres Volumens (was ja bei statistischer Betrachtung mehrerer Moleküle temperaturabhängig ist) durch die Zentrifugalkraft sortiert werden. Genau das lässt sich ja auch beim Wasserwirbler beobachten. Demnach müsste sich aber die kalte Luft, als die dichtere, an der Außenseite des Rohres sammeln, es ist aber genau umgekehrt.

Eine solche Sortierung tritt schon auf, nur nicht nach dem Volumen, sondern nach der Geschwindigkeit. Alle aus der Düse austretenden Luftmoleküle erhalten im Mittel die gleiche Beschleunigungsenergie aus dem Druck. Jetzt gibt es aber aufgrund der statistischen Verteilung der Wärmebewegung im Gas schnellere und langsamere Moleküle. Ein Teil deren Geschwindigkeitsvektoren liegen natürlich auch in der Richtung der Düse und so wird die Beschleunigung zur Wärmebewegung hinzu addiert. Wir erhalten also einen Luftstrom mit unterschiedlich schnellen Molekülen, die anschließend in eine Kreisbahn gezwungen werden. Dort tritt jetzt die Sortierung aufgrund der unterschiedlich großen Zentrifugalkräfte auf. Die schnelleren, also wärmeren Moleküle sammeln sich an der Außenseite und die langsameren und somit kälteren im Innenraum.
Hiermit wird auch klar, warum sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten benötigt werden, denn nur wenn man in den Bereich der mittleren Molekülgeschwindigkeit kommt, diese beträgt bei 20°C in Luft etwa 500m/s, kann eine nennenswerte Differenzierung aus der sonst ungerichteten Wärmebewegung entstehen. Das ist auch bei der Turbomolekularpumpe so, die eine sehr hohe Rotordrehzahl benötigt und dadurch ebenfalls Einfluss auf die Wärmebewegung der Moleküle nimmt.

Das Wirbelrohr könnte durchaus zu einem wirklich Dämon in der Physik werden, wenn nämlich der "kleine Dämon" weniger Energie für seine Arbeit benötigt, als durch den Temperaturunterschied letztendlich gewonnen werden könnte. Es gibt noch weitere Möglichkeiten, z.B. über Parabolspiegel oder über die Gravitation, einen solchen "Dämon" herbeizurufen. Siehe dazu Erklärungen bei der selbstlaufenden Wärmepumpe.

Info zum Buch
Das Wirbelrohr findet sich auch in diesem Buch, wo versucht wird, durch Grundlagenexperimente und neue theoretische Ansätze mehr Licht in das Thema der Freien Energie zu bringen. Nähere Informationen zum Buch.
Titel: Grundlagen und Praxis der Freien Energie
Alternative Theorien und interessante Experimente
Autoren: Harald Chmela und Wolfgang Wiedergut
Verlag: Erschienen im August 2004 im Franzis Verlag
ISBN Nr.: 3-7723-4400-3

Physikseite