Wirbel in der Technik
Nützlich oder unnütz, das ist hier die Frage.
Nützliche Wirbel
Windhexe
Ein schönes Beispiel für die Nutzung von Wirbeln liefert uns der Amerikaner Frank Polifka, der in jahrelangen Versuchen eine Art Zyklon gebaut hat, in dem er mit der Kraft des Wirbels bemerkenswerte Effekte erzeugt. Er verwandelt die ekligsten Abfälle nur mit Druckluft in trockenes Pulver! Was seine Maschine noch kann, siehe unter: www.vortexdehydration.com.
Bild: Die Windhexe von F. Polifka
Staubsauger
Der britische Ingenieur James Dyson hat um 1985 herum einen Tüten losen Staubsauger entwickelt, der die staubhaltige Luft in einer Wirbelkammer reinigt, übrigens ein altes und gleichzeitig zukunftsträchtiges Prinzip. Die angesaugte Luft wird tangential in einen zylinder- oder eiförmigen Behälter gesogen und durch die Stirnseiten abgeführt. Interessanterweise sammeln sich die ’schweren’ Staubteilchen in der Mitte und können so von der Luft getrennt werden.
Ranque-Hilsch-Rohr
Bereits 1929 findet G.J. Ranque bei Versuchen am Zyklon eine Temperaturverteilung, was er in einem Patent niederschrieb. R. Hilsch konstruierte daraus Ende der Vierziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts das heute unter dem Namen Ranque-Hilsch-Rohr bekannte Gerät. Es ist ein einfaches Rohr von relativ kleinem Durchmesser, in das tangential Druckluft von bis zu acht Bar eingeblasen wird. Auch hier entsteht eine Trennung von schwerer (kalter) und leichter (heißer) Luft im sich bildenden Wirbel, die an beiden Enden des Rohres herausgelassen werden kann. Wenn es geschickt konstruiert ist, kommt am einen Ende aus einer zentralen Bohrung die kalte und am anderen Ende aus einem kreisförmigen Spalt die warme Luft. Der Temperaturunterschied kann bis zu 100 Grad betragen, es entstehen bis -50°C. Da das Gerät keine bewegten Teile hat oder gewartet werden muss, kann es an schwierigsten Orten zur Kühlung von z.b. elektronischen Schaltungen eingesetzt werden. Leider ist der Wirkungsgrad grottenschlecht, so dass das Verfahren zur Luftzerlegung oder für Kühlmaschinen demnächst noch nicht einsetzbar ist. Ein Beispiel für die kommerzielle Nutzung findet sich bei der Firma exair.
Wirbelbirne
In der Technik werden große Gasmengen gekühlt. Das geschieht in vielen Fällen durch Kompression der Gase, die sich dabei erwärmen und dadurch mit normaler Luft gekühlt werden können. Anschließend wird das Gas durch Drosseln entspannt, wobei es sich abkühlt. Der Prozess kann energetisch günstiger gestaltet werden, wenn statt einer einfachen Drossel eine so genannte Wirbelbirne zum Einsatz kommt. Diese funktioniert wie ein Ranque-Hilsch-Rohr. Der entstehende Warmgasstrom kann zusätzlich gekühlt werden, so dass nach der Vereinigung mit dem Kaltgasstrom ein energetischer Effekt erzielbar ist.
Bild: Wirbelbirne
Wirbelkammer
Auf der Webseite www.tornadoproject.com (Kapitel Tornadovideos) kann man sich die Bauanleitung für ein Gerät bestellen, das ich mal Wirbelkammer nennen möchte. Es hat keinen nennenswerten Nutzen, außer dass es sehr schön einen Wirbel erzeugen kann. Immerhin kann man sich dieses Naturereignis damit zu jeder Zeit erzeugen und anstarren. Ich sage Euch, es ist ein Erlebnis. Ich habe das Ding nach gebaut und jeder, der davor gestanden hat, meinte genauso wie ich, dass es beeindruckend anzusehen ist.
Zyklonartige Reinigungsgeräte
Schon seit Jahrzehnten werden Ranque-Hilsch-Rohr-artige Geräte für die Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten aus Gasen genutzt (siehe Staubsauger). Es gibt sie in vielen Größen von wenigen Zentimetern bis zu etlichen Metern Länge.Interessanterweise wird das Prinzip kaum genutzt, nur wenige Geräte sind auf dem Markt zu finden, obwohl es Anwendungsfälle in großer Zahl gibt. Ein schönes Beispiel ist die Reinigung von verschmutztem Wasser, das heute meist gefiltert wird, was aber viel mehr Aufwand erfordert.
Zentrofan-Mühle
Diese Getreidemühle wurde in der zweiten Hälfte der Vierziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts von dem Ingenieur Wilhelm Schulte entwickelt. Er wollte das Korn biologisch aufschließen, was ihm durch eine neuartiges Mahlprinzip auch gelang: Das Korn wird über einen Trichter in den Mittelpunkt der Zentrofan-Mühle geleitet. Hier nimmt ein Luftstrom das Korn auf, verwirbelt es und bläst es an den Innenrand des stehenden Naturmahlsteins aus Basalt-Lava. Durch Schleifen am Naturmahlstein löst sich das Korn in feinste Mehlteilchen auf. Der ständig spiralförmig kreisende Luftstrom nimmt den feinen Mehlstaub auf und transportiert diesen zum Mehlauswurf. Es entsteht ein außergewöhnlich hochqualitatives Mehl, das in seiner Feinheit unübertroffen ist.Heute wird die Mühle von Rainer Braunwarth in 88662 Überlingen in kleinen Stückzahlen produziert (www.zentrofan-muehle.de).
Bild: Zentrofan-Mühle
Störende Wirbel
Wirbel stören faktisch überall, wo etwas bewegt wird- auf der Straße bei Fahrzeugen- in der Luft bei Fluggeräten- im Wasser bei Schiffen und Unterseebooten- in Rohrleitungen aller Art. An allen Ecken und Kanten, in Rohrleitungen auch ohne dieselben, entstehen Wirbel, die den Energieverbrauch in die Höhe treiben. Im Wasser- und Windkanal wird seit Jahrzehnten versucht, durch geschickte Formgebung diese Verwirbelungen zu vermindern (z.B. durch die s.g. Winglets an Flugzeugflügeln), aber die heutige Wissenschaft und Technik stoßen immer wieder an Grenzen. Schiffspropeller können nur begrenzten Antrieb auf das Wasser übertragen, da irgendwann die Kavitationskräfte so stark sind, dass die Propeller regelrecht zerfressen werden.Bleibt die Frage, was ist die Lösung: – Die Vermeidung der störenden Wirbel (der Turbulenzen) oder – die gezielte Erzeugung geeigneter Wirbel? In der Autostadt der Volkswagen AG in Wolfsburg kann man einen kleinen Versuch sehen, wie man die störenden Wirbel an einem Automodell sichtbar machen kann. Die Modelle kann man selbst an einer roten Kugel durch eine mit Aluminiumpulver versetzte Flüssigkeit ziehen. Dahinter bilden sich dann Wirbel aus – an der ´altmodischen` Karosse mehr und an der Stromlinien förmigen Karosse weniger Wirbel.
Bild: Größerer Windwiderstand
Bild: Kleinerer Windwiderstand
