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 en 1931 et amélioré par l'Allemand Rudolph Hilsch. Ce dispositif est connu dans le monde industriel sous le nom de tube vortex.
Fonctionnement pratique
La théorie la plus courante serait que 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 (filtration 5 µm). La manipulation de la valve de sortie permet de régler le couple débit/refroidissement de la sortie froide : plus le volume de sortie est grand, moins la chute de température est importante. Fabriqué dans des dimensions de 10 à 40 cm de long et de 1 à 5 cm de diamètre, il peut atteindre une différence de température de 70 °C entre l'air entrant et le côté froid. Dans ces hypothèses, la puissance frigorifique est de l'ordre de 3 kW (puissance qui est fonction du volume d'air traité par le Tube à Vortex).
Il peut fonctionner avec n'importe quel gaz qui ne se condense pas aux températures produites. Le tube à vortex ne peut cependant pas fournir de gaz sous pression et la contrepression admissible en sortie froide est assez faible (0,2 bar maxi)
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 mais son faible coût et sa rapidité d'installation en font un matériel très compétitif.
L'utilisation des tubes vortex revient à la mode en Europe, il est toujours fabriqué en France par une société experte du vide et de la préhension industrielle, sous la forme d'un KitClim à installer sur les armoires électriques. (Nord).
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 capacité thermique massique du gaz, avec les indices a (alimentation), f (côté froid) et c (côté chaud) :
En supposant un gaz parfait, on peut simplifier :
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. Ce n'est qu'en 2012 qu'une publication traitant du sujet clarifie son fonctionnement [1].
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 2 500 kcal/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
Notes et références
- Jeliazko G. Polihronov et Anthony G. Straatman, « Thermodynamics of Angular Propulsion in Fluids », Physical Review Letters, vol. 109, no 5, , p. 054504 (DOI 10.1103/PhysRevLett.109.054504, lire en ligne, consulté le )
Autres :
- Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik « Une tornade réfrigérante : 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)