Термосифон — Thermosiphon

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 стоимости и сложности обычного насоса. Обратите внимание, что диаграмма, изображенная в этой статье, предназначена только для иллюстрации, а не в качестве рабочей модели, так как нет иллюстрированного источника воды для пополнения бака при использовании крана.

Содержание

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 пословице: «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».

В этой системе тепло все еще может передаваться 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 неправильно описывают как « тепловую трубу 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 в сторону от вектора ускорения. Таким образом, для термосифонов ориентация гораздо важнее, чем для тепловых трубок. Также термосифоны могут выйти из строя из-за пузыря в контуре и потребовать циркуляционного контура труб.

Ребойлеры и каландрии

Если трубопровод термосифона сопротивляется потоку или используется 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 не хватает жидкости, либо она слишком мала для передачи всего тепла 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

Термосифоны используются в некоторых жидкостных системах солнечного отопления для нагрева жидкости, такой как вода . Вода нагревается пассивно по солнечной энергии и зависит от тепловой энергии передается от солнца на солнечный коллектор . Тепло от коллектора может передаваться воде двумя способами: напрямую, когда вода циркулирует через коллектор, или косвенно, когда раствор антифриза переносит тепло от коллектора и передает его воде в баке через теплообменник . Конвекция позволяет заменять 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.

Вычисление

Термосифоны используются для водяного охлаждения внутренних компонентов компьютера, чаще всего процессора . Хотя можно использовать любую подходящую жидкость, вода является самой простой жидкостью для использования 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 выделения 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 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 трубке для жидкости в бассейн. 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

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, поэтому для улучшения циркуляции были добавлены насосы с приводом от двигателя. В более компактных двигателях тогда 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 во время длительных периодов холостого хода или очень медленного движения, 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.

Энергоэффективный дом

Термосифонная система нагрева воды. Принцип термосифона

Термосифонная система нагрева воды успешно используется в солнечных коллекторах. Более того, солнечный коллектор на принципе термосифона — самый простой и надежный для изготовления своими руками. При небольшом водоразборе это очень хорошее решение.

На чем построен принцип термосифона: пассивный теплообмен на основе естественной конвекции, которая заставляет жидкость и газ циркулировать без насоса.

Холодная вода имеет более высокую удельную плотность, чем теплая, поэтому холодная вода «тяжелее» и опускается вниз. Естественная конвекция начинается в тот момент, когда передача тепла к теплоносителю приводит к разности температур в контурах термосифонной гелиосистемы. Конвекция перемещает нагретую жидкость вверх в системе и одновременно заменяет менее нагретой.

Одна из возможных схем реализации термосифонной системы нагрева воды.

Резервуар для воды должен находиться выше коллектора, в противном случае цикл циркуляции пойдет в обратном направлении в темное время суток. Единственный серьезный недостаток термосифонных солнечных систем — сезонность. Но решение у этой проблемы есть: гелиосистемы на антифризе, с доработанной конструкцией и открытыми резервуарами. Такие системы заслуживают отдельной статьи.

Правильно сконструированная термосифонная система нагрева воды имеет минимальное гидравлическое сопротивление, так что вода легко перемещается под относительно низким давлением, создаваемым естественной конвекцией.

Ниже рассмотрим простой прототип термосифонной системы нагрева воды на основе солнечного коллектора. Это не самый эффективный метод использования солнечной энергии для нагрева воды и работает сравнительно медленно, но такой коллектор может смастерить любой. Итак, теория.

Прототип термосифонного солнечного коллектора

Список запчастей включает в себя рекомендуемые материалы, подобранные под температурный режим. Необходимо использовать термостойкие материалы, способные выдерживать длительное воздействие 80ºС: сшитый полиэтилен, ХПВХ, полипропиленовые переходники, высокотемпературные шланги из этилен-пропиленового каучука (EPDM резина). Напомню, это простейший и самый доступный материально вариант.

Ориентировочный список материалов для термосифонной гелиосистемы (размеры конвертированы с дюймов):

• Четыре балки 5х10 см 2.40 м.
• Пять балок 2,5х10 см 2.40 м.
• Два винта 2,5 см.
• Кровельные винты оцинкованные 7,6 см.
• Два листа металлического шифера 2.40 м.
• Термостойкая черная краска (селективная, для каминов и барбекю, подробнее здесь).
• Садовый шланг термостойкий (EPDM резина, до 90ºС) внутренним диаметром 7,5 см, 30 м.
• Пластиковые стяжки термостойкие, УФ-стойкие 20 см, 100 шт.
• Резервуар для воды на 200 л.
• Два латунных крана на шланг, 7,5 см, конфигурация на фото.
• Тефлоновая лента.
• Две полипропиленовых перемычки (bulkhead fittings) термостойких, 7,5 см.
• Два адаптера труба-шланг латунных, 7,5 см.
• Два хомута на шланг.
• Изоляция вспененная для труб, 90 см.

Каркас для коллектора

Каркас для термосифонной системы можно соорудить в виде А-образной рамы. Используйте балки и винты: установите переднюю ножку каждой опоры под требуемым углом наклона к панели коллектора (ваш угол широты хорошая отправная точка), и прикрепите заднюю ножку на противоположном углу для стабильности. Соедините две ножки (спереди и сзади) каждой из сторон горизонтальной перемычкой.

Соедините две задние ножки двумя балками. Установите три балки поперек опор, закрепите винтами.

Установите листы шифера на раму с помощью винтов. Верхний лист должен быть положен внахлест. Покрасьте панель термокраской, дайте полностью высохнуть.

Установка шланга термосифонной системы

Выложите и отметьте путь трубы на панели коллектора, снизу-вверх. Не допускайте ее перегибов. Шланга должно хватить на 8 витков на 120 см высоты панели. Не забудьте оставить несколько метров для подключения к резервуару.

Не допускайте провисания шланга.

Просверлите отверстия в шифере и закрепите трубу с помощью пластиковых стяжек. Интервал между стяжками около 30 см. Шланг должен быть в полном контакте с панелью для эффективной теплопередачи.

Подготовка резервуара для термосифонного коллектора

В бак необходимо врезать переходники для обеспечения герметичного соединения с шлангом. В переходники войдут латунные краны.

В резервуаре необходимо проделать отверстия под фитинги. Нижний слив сверлите как можно ближе к дну, верхний — около 1/3 от крышки бака. На резьбу крана намотайте тефлоновую ленту и вкрутите в переходник. Переходник вставьте в бак и закрутите его гайкой изнутри.

Подсоединение шланга и установка резервуара

Разместите бак на прочном постаменте, который позволяет кранам быть выше шлангов на коллекторе. Коллектор должен быть близко к резервуару. Укоротите трубу так, чтобы она не провисала. Подсоедините переходник и закрепите с помощью хомута. Подсоедините шланги к кранам, затяните стяжки на панели для лучшего соприкосновения с шифером. Отрез теплоизоляции наденьте на часть трубы с горячей водой вверху от бака к коллектору.

Нагрев воды термосифонным солнечным коллектором

Откройте краны и наполните резервуар, оставив 5 см свободного пространства под расширение воды. Убедитесь, что в контуре коллектора нет воздуха. Вода начнет нагреваться с первыми лучами солнца.

Модернизация прототипа

Эта простейшая термосифонная система не имеет даже постоянного подвода воды, что делает ее пригодной для использования в условиях полного отсутствия цивилизации или для каких-то садово-гаражных нужд. Но ведь это не предел.

Термосифон успешно применяют для горячего водоснабжения в домах и конструкция коллектора не имеет в себе ничего сверхсложного. Заводят резервуар в помещение и делают подвод водопроводной воды. Один из вариантов системы описан в этой статье.

Можно немного улучшить производительность и этой простой конструкции:

1. Термоизоляция бака дольше сохранит воду горячей.
2. Резервуар можно сделать из вышедшего из строя нагревателя.
3. Увеличить площадь коллектора.
4. Добавить в конструкцию маломощный насос и тэн для резервного нагрева.