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设计|麦克斯韦妖终于出现了？90年来科学家始终没搞明白这个装置的原理( 二 )


设计|麦克斯韦妖终于出现了？90年来科学家始终没搞明白这个装置的原理
本文插图

单孔设计的涡流管 ， 左边注入压缩空气后 ， 右边中央出冷气 ， 外周出热气 。 图片来源：Xue, Yunpeng. The working principle of a Ranque-Hilsch vortex tube. Diss. 2013.
这根妖孽管子有90年的历史了 。
1931年 ， 法国物理学家 Georges J. Ranque 注意到涡流式分离器的中央比较凉 ， 而外部比较热 。
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Georges J. Ranque
Ranque 边用奶酪杵葡萄酒 ， 边写了一篇论文 ， 阐述了一下他对这个现象背后原理的猜测 ， 然后就没有然后了 ， 因为那时的物理学家们不相信这种违反常识的现象 。 祸不单行 ， Ranque 用涡流管开的公司也倒闭了 。
1947年 ， 他的稿子到了德国物理学家 Rudolf Hilsch 手中 ，Hilsch 就开始认真地研究起来 ， 并发了一篇超高引的文章 ， 所以涡流管有时也被叫做 Hilsch 涡流管 ， 没 Ranque 啥事儿了 。
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虽然涡流管的设计看起来非常简单粗暴 ， 但是它的原理直到现在还没有被搞清楚 。
一种简单的解释是 ， 管子内部存在压力梯度 ， 外圈的气体是高压 ， 中心的是低压 ， 由于气体压缩后温度变高的原理 ， 两个位置的温度不同 。
另外一种解释是 ， 中心气体的角速度比外圈的要高 ， 两者旋转摩擦 ， 中心的动能通过摩擦传递给了外圈 。
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这些解释都能解释一部分现象 ， 但不符合所有的现实 。
就比如 ， 1988年 ， 威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家 R. T. Balmer 尝试把20-50bar的水喷入市面上买的普通涡流管 ， 发现居然水也有用诶 。
要知道液体和气体不一样 ， 是不可压缩的 ， 所以液体能用上涡流管 ， 这就吊打刚才的那个压强梯度假说了 。
而且更奇怪的是 ， 高压液体注入后 ， 可以喷出两股暖流 ， 而且一股比另一股更热 。
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注入液体后 ， 涡流管里也会出现双螺旋 。
用常理来思考这根管子真的会造成精神障碍：把水注入一个管道 ， 出来两支热流 ， 一支还比另一支更热 。 虽然这不可能是永动机（因为机械能被转化为了热能） ， 但是这现象也太令人含泪了 。
但是 ， 搞不明白原理并不妨碍两脚兽拿来主义嘛 ， 几十万年来咱不都是这样凑活过来的嘛 。
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涡流管给食品降温
现在 ， 涡流管一般被用于具有压缩空气的场合 ， 比如给食品厂的烘培食品 ， 还有切割机降温 。 计算机数控机床也常用涡流管降温 ， 因为涡流管不需要氟利昂等制冷剂 ， 零件也不复杂 。 商用涡流管可以把温度降低71摄氏度 。
你可能想问 ， 既然这种不需要电力的装置能够制造冷气 ， 为什么现在的家用制冷设备还是冰箱空调呢？
这主要是因为涡流管的热效不高 ， 最大也只有30%左右 ， 而且噪音比较大 ， 还需要压缩空气 。
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当然 ， 还有脑洞大的商家造了涡流管空调降温服出来 ， 凉风管道对准身体专凉内人 ， 热风管道向外专吹外人 ， 据称恒温10-20摄氏度 。 看完这个清凉又科学的设计 ， 小编不由得心动了 。


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