Date of Award

11-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Emad Elnajjar

Second Advisor

Mohammad Hamdan

Third Advisor

Salah Al Omari

Abstract

The Ranque–Hilsch vortex tube (RHVT) is a passive thermofluid device that splits compressed gas into simultaneous cold and hot streams through strong swirling flow inside a slender tube, without moving parts. This study experimentally examines how external boundary conditions applied to the tube wall influence RHVT performance. Three wall conditions were imposed: (i) externally cooled (cooling), (ii) externally heated (heating), and (iii) adiabatic (insulated). Tests were conducted with air over an inlet pressure range of 2–6 bar. The primary objective was to understand the extent to which wall thermal condition modifies temperature separation and energy efficiency. Performance was quantified using the refrigeration coefficient of performance (COPc), together with measurements of cold-end and hot-end air flow stream temperatures. Compared with the baseline unconditioned case, externally cooling the wall consistently produced the lowest cold-end temperatures across all pressures and the highest refrigeration performance. At a tube wall setpoint of 25°C, the refrigeration coefficient of performance (COPc) improved by ~89% on average over 2–6 bar, with the maximum average gain at 4 bar (~109%); gains increased monotonically as the wall setpoint was reduced from 45 to 25°C. Insulation yielded a slight but robust uplift (mean +4.24% in COPc across 2–6 bar, peaking at +5.3% at 3 bar). By contrast, heating the wall reduced temperature separation and depressed COPc, with penalties that grew with the tube wall temperature setpoint. These findings highlight the sensitivity of RHVT behavior to heat transfer at the wall and suggest that controlled external cooling can be an effective lever for improving cold-stream performance in practical applications. The results provide guidance for the design and operation of vortex-tube-based spot cooling and process temperature control, and they motivate further work to resolve optimal combinations of pressure, cold mass fraction, and wall condition under various operating parameters.

Arabic Abstract

دراسة تجريبية: أداء أنابيب رانك– هيلش الدوّامية تحت شروط حدّية سطحية متنوعة

أنبوب رانك–هيلش الدوّامي (RHVT) هو جهاز حراري-مائعي يقسّم الغاز المضغوط إلى تيارين بارد وحار متزامنين عبر جريان دوّامي قوي داخل أنبوب رفيع، من دون أجزاء متحركة. تفحص هذه الدراسة تجريبيا تأثير الشروط الحدّية الخارجية المطبَّقة على جدار الأنبوب في أداء RHVT. وقد فُرضت ثلاث حالات للجدار: (i) مُبرَّد خارجيا (تبريد(،(ii) مُسخَّن خارجيا (تسخين)، و (iii) أدياباتية (معزول حراريا). أُجريت الاختبارات باستخدام الهواء ضمن مجال ضغوط دخول 2 – 6 بار. تمثّل الهدف الرئيس في فهم مدى تأثير الحالة الحرارية للجدار على الفصل الحراري (فصل درجات الحرارة) وكفاءة الطاقة. جرى تقويم الأداء باستخدام معامل أداء التبريد (COPc) ، إلى جانب قياسات درجات حرارة تياري الهواء عند الطرف البارد والطرف الحار. مقارنةً بحالة الأساس غير المكيَّفة، أظهر تبريد الجدار خارجيًا أدنى درجات حرارة عند الطرف البارد عبر جميع الضغوط وأعلى أداء تبريدي. وعند نقطة ضبط لدرجة حرارة الجدار قدرها 25 ° م، تحسّن COPc بمتوسط يقارب 89 % عبر مجال 2 – 6 بار، مع أعلى متوسط تحسّن عند 4 بار (~ 109 %)؛ كما ازداد التحسّن تدريجيًا مع خفض نقطة الضبط من 45 إلى 25 ° م. وحقّق العزل زيادة طفيفة لكنها ثابتة (متوسط + 4.24 % في COPc عبر 2 – 6 بار، مع ذروة + 5.3 % عند 3 بار). وعلى النقيض، أدّى تسخين الجدار إلى تقليل الفصل الحراري وخفض COPc ، وازدادت الخسائر مع رفع درجة حرارة الجدار المضبوطة. تُبرز هذه النتائج حساسية سلوك RHVT لانتقال الحرارة عند الجدار، وتُشير إلى أن التبريد الخارجي المضبوط يمكن أن يكون وسيلة فعّالة لتحسين أداء التيار البارد في التطبيقات العملية. كما توفّر النتائج إرشادات لتصميم وتشغيل أنظمة التبريد الموضعي والتحكّم في درجات حرارة العمليات المعتمدة على الأنبوب الدوّامي، وتدفع إلى مواصلة البحث لتحديد التركيبات المثلى للضغط، والكسر البارد (Cold Mass Fraction) ، وحالة الجدار تحت معايير تشغيل مختلفة .

Download
COinS