Термосифон - Thermosiphon

Циркуляция термосифона в простом солнечном водонагревателе (не рабочая модель; нет подачи воды для пополнения бака при использовании крана)

Термосифон (или термосифон ) - это метод пассивного теплообмена , основанный на естественной конвекции , при которой жидкость циркулирует без использования механического насоса. Термосифонирование используется для циркуляции жидкостей и летучих газов в системах отопления и охлаждения, таких как тепловые насосы, водонагреватели, котлы и печи. Термосифонирование также происходит через градиенты температуры воздуха, такие как те, которые используются в дровяной дымовой трубе или солнечной трубе .

Эта циркуляция может быть либо разомкнутой, например, когда вещество в сборном резервуаре проходит в одном направлении через нагретую передающую трубу, установленную на дне резервуара, к точке распределения - даже той, которая установлена ​​над исходным резервуаром, - либо она может быть вертикальным замкнутым контуром с возвратом в исходный контейнер. Его цель - упростить перекачку жидкости или газа, избегая при этом стоимости и сложности обычного насоса.

Простой термосифон

Естественная конвекция жидкости начинается, когда передача тепла жидкости вызывает разность температур от одной стороны контура к другой. Явление теплового расширения означает, что разница температур будет иметь соответствующую разницу в плотности в контуре. Более теплая жидкость на одной стороне петли менее плотная и, следовательно, более плавучая, чем более холодная жидкость на другой стороне. Более теплая жидкость будет «плавать» над более холодной жидкостью, а более холодная жидкость будет «опускаться» ниже более теплой жидкости. Это явление естественной конвекции известно по поговорке: «тепло поднимается». Конвекция перемещает нагретую жидкость вверх в системе, поскольку она одновременно заменяется более холодной жидкостью, возвращающейся под действием силы тяжести. Хороший термосифон имеет очень небольшое гидравлическое сопротивление, поэтому жидкость может легко течь под относительно низким давлением, создаваемым естественной конвекцией.

Тепловые трубы

В некоторых ситуациях поток жидкости может быть дополнительно уменьшен или остановлен, возможно, потому, что контур не полностью заполнен жидкостью. В этом случае система перестает конвектировать, поэтому это не обычный «термосифон».

Тепло еще может передаваться в этой системе за счет испарения и конденсации пара; однако система правильно классифицируется как термосифон с тепловыми трубками. Если система также содержит другие жидкости, например воздух, то плотность теплового потока будет меньше, чем в настоящей тепловой трубке, содержащей только одно вещество.

Иногда термосифон ошибочно называют « тепловой трубой с самотечным возвратом ». Тепловые трубы обычно имеют фитиль для возврата конденсата в испаритель за счет капиллярного действия . Фитиль в термосифоне не нужен, потому что сила тяжести перемещает жидкость. Фитиль позволяет тепловым трубкам передавать тепло в отсутствие силы тяжести, что полезно в космосе. Термосифон «проще» тепловой трубки.

(Однофазные) термосифоны могут передавать тепло только «вверх» или от вектора ускорения. Таким образом, для термосифонов ориентация гораздо важнее, чем для тепловых трубок. Также термосифоны могут выйти из строя из-за пузырька в контуре и потребовать циркуляционного контура труб.

Ребойлеры и каландрии

Если трубопровод термосифона сопротивляется потоку или применяется чрезмерное тепло, жидкость может закипеть. Поскольку газ более плавучий, чем жидкость, конвективное давление больше. Это хорошо известное изобретение под названием ребойлер . Группа ребойлеров , прикрепленных к паре Plena называется каландром. В некоторых случаях, например в системе охлаждения для более старого автомобиля (до 1950-х годов), кипение жидкости приводит к прекращению работы системы, поскольку создаваемый объем пара вытесняет слишком много воды и циркуляция прекращается.

Термин «термосифон с фазовым переходом» является неправильным, и его следует избегать. Когда в термосифоне происходит фазовый переход, это означает, что в системе либо недостаточно жидкости, либо она слишком мала, чтобы передавать все тепло только за счет конвекции. Для повышения производительности необходимо либо больше жидкости (возможно, в большем термосифоне), либо все другие жидкости (включая воздух) должны быть откачаны из контура.

Солнечная энергия

Солнечная система отопления с термосифоном

Термосифоны используются в некоторых жидкостных системах солнечного отопления для нагрева жидкости, такой как вода . Вода пассивно нагревается за счет солнечной энергии и зависит от тепловой энергии , передаваемой от солнца к солнечному коллектору . Тепло от коллектора может передаваться воде двумя способами: напрямую, когда вода циркулирует через коллектор, или косвенно, когда раствор антифриза уносит тепло от коллектора и передает его воде в баке через теплообменник . Конвекция позволяет заменить движение нагретой жидкости из солнечного коллектора более холодной жидкостью, которая, в свою очередь, нагревается. В связи с этим принципом необходимо, чтобы вода хранилась в резервуаре над коллектором.

Архитектура

Термосифонная установка в международном аэропорту Фэрбенкс , используемая для охлаждения вечной мерзлоты, на которой построены здания аэропорта. Фундаменты зданий могут быть смещены в случае таяния вечной мерзлоты. Из-за своей формы эти термосифонные радиаторы называют «аляскинскими кактусами».

В местах, где исторически преобладали условия вечной мерзлоты, термосифоны могут использоваться для противодействия неблагоприятным геологическим воздействиям на фундаменты зданий, трубопроводов и других сооружений, вызванным таянием вечной мерзлоты. В исследовании, опубликованном в 2006 году нефтяным гигантом ConocoPhillips, сообщается, что вечная мерзлота Аляски, на которой построена большая часть инфраструктуры штата, деградировала с 1982 года на фоне рекордно высоких температур. По данным Центра исследования климата Аляски при Университете Аляски в Фэрбенксе , в период с 1949 по 2018 год средняя годовая температура на Аляске поднялась на 4,0 градуса по Фаренгейту, с повышением на 7,2 градуса по Фаренгейту за зиму.

Вычисление

Термосифоны используются для водяного охлаждения внутренних компонентов компьютера, чаще всего процессора . Хотя можно использовать любую подходящую жидкость, воду проще всего использовать в термосифонных системах. В отличие от традиционных систем водяного охлаждения , термосифонные системы полагаются не на насос, а на конвекцию для перемещения нагретой воды (которая может стать паром) от компонентов вверх к теплообменнику. Там вода охлаждается и готова к рециркуляции. Наиболее часто используемый теплообменник - это радиатор , в котором воздух активно продувается через систему вентиляторов для конденсации пара в жидкость. Жидкость рециркулирует через систему, таким образом повторяя процесс. Насос не требуется. Цикл испарения и конденсации зависит от разницы температур.

Использует

Без надлежащего охлаждения современный чип процессора может быстро нагреться до температуры, которая приведет к его неисправности. Даже с установленным обычным радиатором и вентилятором типичная рабочая температура процессора может по-прежнему достигать 70 ° C (160 ° F). Термосифон может эффективно передавать тепло в гораздо более широком диапазоне температур и обычно может поддерживать температуру процессора на 10–20 ° C ниже, чем традиционный радиатор и вентилятор. В некоторых случаях также возможно, что термосифон может охватывать несколько источников тепла и, с точки зрения конструкции, быть более компактным, чем обычный радиатор и вентилятор соответствующего размера.

Недостатки

Термосифоны должны быть установлены таким образом, чтобы пар поднимался вверх, а жидкость стекала вниз в котел, без изгибов в трубках для жидкости в бассейне. Кроме того, для работы вентилятора термосифона, охлаждающего газ, необходим холодный воздух. Система должна быть полностью герметичной; в противном случае процесс термосифона не сработает и вода испарится только в течение небольшого периода времени.

Охлаждение двигателя

Схема охлаждения двигателя полностью за счет термосифонной циркуляции 1937 г.

Ранние автомобили, автомобили и сельскохозяйственное и промышленное оборудование с приводом от двигателя использовали термосифонную циркуляцию для перемещения охлаждающей воды между блоком цилиндров и радиатором . Они зависели от движения автомобиля вперед и вентиляторов, чтобы пропустить через радиатор достаточно воздуха, чтобы обеспечить перепад температур, вызывающий циркуляцию термосифона. По мере увеличения мощности двигателя требовался увеличенный поток, и поэтому для улучшения циркуляции были добавлены насосы с приводом от двигателя. Тогда в более компактных двигателях использовались радиаторы меньшего размера и требовались более сложные схемы потока, поэтому циркуляция стала полностью зависеть от насоса и даже могла быть обращена против естественной циркуляции. Двигатель, охлаждаемый только термосифоном, подвержен перегреву в течение продолжительных периодов холостого хода или очень медленного хода, когда поток воздуха через радиатор ограничен, если только один или несколько вентиляторов не могут перемещать достаточно воздуха для обеспечения надлежащего охлаждения. Они также очень чувствительны к низкому уровню охлаждающей жидкости, т. Е. Потеря лишь небольшого количества охлаждающей жидкости останавливает циркуляцию; Система с приводом от насоса намного более надежна и обычно может работать с более низким уровнем охлаждающей жидкости.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Термосифонная технология искусственного замораживания грунта (AGF)" . simmakers.com . Simmakers Ltd. 2017. Архивировано из оригинала на 5 марта 2021 года . Дата обращения 23 января 2021 .
  2. ^ Голубец I (2008). «Термосифон с плоским контуром в теплой вечной мерзлоте (подготовлен для правительства Отдела управления активами NT. Общественные работы и услуги, а также оценка уязвимости к изменению климата Канадского совета профессиональных инженеров» (PDF) . Geocryology.files.wordpress.com .
  3. ^ «Принципы тепловых труб с вакуумной трубкой» . BTF Solar . 2007. Архивировано из оригинального 17 августа 2014 года . Дата обращения 23 июля 2021 .
  4. ^ "Термосифонные теплообменники" . apogee.net . Архивировано из оригинала на 3 апреля 2013 года . Дата обращения 23 июля 2021 .
  5. ^ Haslego C (2010). "Что такое тепловая трубка?" . Сообщество Cheresources.com .
  6. Перейти ↑ Norton B (2011). «Солнечные водонагреватели: обзор системных исследований и инновационных разработок». Зеленый . 1 (2): 189–207. DOI : 10.1515 / green.2011.016 .
  7. Перейти ↑ Wagner AM (2014). «Обзор приложений Thermosyphon» (PDF) . ERDC / CRREL TR-14-1. Центр исследований и разработок инженеров армии США (ERDC) . Дата обращения 24 июня 2021 .
  8. ^ Йоргенсон MT, Шур Ю.Л., Pullman ER (2006). «Резкое усиление деградации вечной мерзлоты в Арктической Аляске» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (2): L02503. DOI : 10.1029 / 2005GL024960 .
  9. ^ «Общее изменение средней сезонной и годовой температуры (° F), 1949-2018» . Центр исследования климата Аляски (диаграмма из статьи ). Геофизический институт Университета Аляски в Фэрбенксе.
  10. ^ Kuemel B (2005). «Термосифон с паровым охлаждением процессора» . overclockers.com . Проверено 26 авг 2012 .

внешние ссылки