- Tube de Ranque-Hilsch
-
Le tube de Ranque-Hilsch est un dispositif thermodynamique sans pièce en mouvement permettant de produire de l'air froid, imaginé par le Français Georges Joseph Ranque et amélioré par l'Allemand Rudolph Hilsch. Ce dispositif est connu dans le monde industriel sous le nom de tube vortex.
Sommaire
Fonctionnement pratique
L'air injecté tangentiellement crée par effet vortex un écoulement tourbillonnaire extrêmement rapide (un million de tours par minute) et est freiné par une valve conique. L'échange de chaleur avec l'onde produite en retour refroidit l'air réfléchi.
Il doit être alimenté en air comprimé (5 à 10 bars) très sec et propre. Fabriqué dans des dimensions de 10 à 30 cm de long et d'environ 1 cm de diamètre, il atteint une différence de température de 70°C entre l'air entrant et le côté froid. Dans ces conditions, la puissance frigorifique est de l'ordre de 2500 kW/h.
Il peut fonctionner avec n'importe quel gaz qui ne se condense pas aux températures produites.
Il peut être utilisé partout où est nécessaire un refroidissement sans contact (usinage, test de composants électroniques, fabrication du chocolat). Par contre, le système (compresseur+tube) est beaucoup moins efficace en termes d'énergie que les groupes réfrigérants classiques.
Un peu de thermodynamique
Premier principe
Celui de la conservation de l'énergie. L'équation thermodynamique :
Soit p la fraction (en masse) de gaz sortant du côté froid, et c la chaleur massique du gaz, avec les indices a(alimentation), f(côté froid) et c(côté chaud):
caTa = pcfTf + (1-p)ccTc En supposant un gaz parfait, on peut simplifier :
Ta = pTf + (1-p)Tc Plus on cherchera à augmenter les performances, plus on s'éloignera du gaz parfait.
Second principe
D'après le second principe de la thermodynamique, il est impossible de refroidir un corps froid grâce à un autre plus chaud sans dépenser de l'énergie. C'est pourtant ce que semble faire ce dispositif. En considérant l'ensemble du système, compresseur et tube de Ranque-Hilsch, il devient clair que c'est le compresseur qui fournit ce travail.
En 2010, les principes de fonctionnement du tube ne sont pas complètement élucidés. Son action est liée à la compressibilité du fluide, car il est totalement inopérant avec un liquide.
Utilisations et rendement
Diverses utilisations de traitement des gaz ont été ou sont encore étudiées. Elles se heurtent toutes au faible rendement de l'ensemble compresseur et tube, de l'ordre de 0,10 alors que celui d'un réfrigérateur (le COP) atteint 10.
- Production d'air liquide par une cascade de tubes
- Séparation de gaz de densités différentes
Malgré ce faible rendement, de nombreuses applications ont été développées dans le monde industriel car l'air comprimé y est une source d'énergie courante, facilement disponible et parce que le tube à vortex ne comporte pas de pièce mobile ce qui minimise les pannes et le coût d'entretien. La température de l'air froid produit pouvant descendre jusqu'à -45° environ, avec un débit calorique allant jusqu'à 2500 kW/h, le tube de Ranque est utilisé pour refroidir des outils de coupe sur machine-outil, des moules d'objets en polymères, des dispositifs électroniques ; combiné avec une veste à circulation d'air, le tube à vortex permet d'améliorer les conditions de travail en milieu confiné ou chauffé.
Voir
Liens externes
- Ce dispositif a été breveté par G. J. Ranque en 1931 en France, puis aux États-Unis en 1934 : brevet US-1,952,281
Références
- Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik « Une tornade réfrigérente : le tube à vortex » Pour la Science, 396, 96-98, 2010
- S. Eimsa-ard et P. Promvonge « Review of Ranque-Hilsch effects in vortex tubes », Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, 1822-1842, 2008 (en)
- Tim Cockerill, Thèse, 1995 (en)
Catégories :- Physique appliquée et interdisciplinaire
- Thermodynamique
Wikimedia Foundation. 2010.