Das genaue Funktionsprinzip eines Wirbelrohres ist nicht genau geklärt und vielen Anwendern unbekannt. Doch diese kostengünstige und wartungsfreie Lösung für industrielle Kühlprobleme bietet enorme Vorteile.
Eines der rätselhaftesten physikalischen Phänomene macht sich das Wirbelrohr zu Nutze. Unter Anwendung gewöhnlicher Druckluft als Energiequelle erzeugt ein Wirbelrohr zwei Luftströme. Diese zwei Luftströme, ein heißer und ein kalter, sind über ein verstellbares Ventil an der Heißluftseite einstellbar. Das Wirbelrohr wurde bereits 1928 durch den französischen Physikstudenten George Ranque zufällig entdeckt, der aber an der kommerziellen Vermarktung scheiterte. Erst der deutsche Physiker Rudolph Hilsch verhalf dem Wirbelrohr mit einer wissenschaftlichen Abhandlung im Jahr 1945 zur erneuten Beachtung. Man spricht deshalb auch vom „Ranque-Hilsch-Wirbelrohr“ oder dem „Hilsch-Wirbelrohr“.
Die Einsatzbereiche eines Wirbelrohres sind sehr vielseitig in der industriellen Anwendung und reichen vom Kühlen während der Verarbeitung, Kühlen von Teilen, von Kammern, von Laborproben bis hin zum Testen von Schaltkreisen. Die Funktionsweise des Wirbelrohres, das im Englischen Vortex Tube genannt wird, ist im Detail nicht genau geklärt und es bestehen verschiedene Theorien als Erklärungsansatz hinsichtlich des Prinzips. Grundsätzlich wird aber vermutet, dass der Druckluftstrom, der mit 5,5 bis 7 bar tangential durch einen Generator in die Wirbelkammer getrieben wird, ähnlich einem Tornado im Rohr reagiert. Mit bis zu 1 Mio. Umdrehungen pro Minute dreht sich dieser Luftstrom zum heißen Ende hin, an dem einiges von diesem Luftstrom durch ein Steuerventil entweicht.
Die verbleibende, sich weiterhin drehende Luft, wird durch das Zentrum des äußeren Wirbels zurück gezwungen. Der innere Strom gibt die kinetische Energie in Form von Hitze an den äußeren Luftstrom ab und tritt am Wirbelrohr als Kaltluft aus. Der äußere Luftstrom, gemäß obiger Abbildung, tritt am anderen Ende als Heißluft aus. Das Wirbelrohr stellt eine einfache, zuverlässige und direkte Möglichkeit der Kühlung dar. Dennoch sind seine Nutzungsmöglichkeiten weitestgehend in der Praxis industrieller Anwendungen unbekannt.
Die maximale Abkühlung (80 % Kaltluftanteil) wird erreicht, wenn die Kaltlufttemperatur 28o°C unter der Drucklufttemperatur liegt. Dabei reduziert das Öffnen des Ventils den Kaltluftstrom und die Temperatur der kalten Luft. Demzufolge steigert das Schließen des Ventils den Kaltluftstrom und damit die Temperatur der kalten Luft. „Das Einstellen eines Wirbelrohres ist mit einem Temperaturmessgerät kinderleicht“, so Geschäftsführer Peter Endhart. Die Exair Wirbelrohre sind aus Edelstahl und werden in drei Größen angeboten. Jede Größe kann einen bestimmten Luftdurchfluss erzeugen, der durch ein kleines, eingesetztes Teil, den Generator, bestimmt wird. Der amerikanische Hersteller gibt als Spanne seiner Wirbelrohre Temperaturen von -46 Grad Celsius und +127 Grad Celsius, Durchflussraten von 28 bis 4.248 l/min. und eine Kälteleistung bis zu 2.570 Kcal/hr. bzw. 2.985 Watt an. Die Leistung eines Wirbelrohres wird zudem von weiteren Faktoren wie dem Gegendruck am Kaltluftende bestimmt. Ein Gegendruck von 0,3 bar verändert bereits die zu erzielende Leistung um 2,8 Grad C. Die Eingangsdrucklufttemperatur ist ein weiterer Faktor, denn die vom Wirbelrohr zu erzeugende Temperaturdifferenz steht in Abhängigkeit zur Temperatur der einfließenden Druckluft. Eine veränderte Eingangstemperatur wird demnach eine entsprechend veränderte Kaltlufttemperatur erzeugen.
Die Praxis zeigt, dass sich das Wirbelrohr hervorragend für eine große Anzahl von Kühlproblemen in der Industrie eignet. Das wartungsfreie Wirbelrohr bietet zudem die Möglichkeit, die Durchflussrate zu erhöhen, indem der Generator innerhalb des Wirbelrohres getauscht wird. Eine besonders beliebte und praktische Variante des Wirbelrohres ist der Schaltschrankkühler.
