Termosyfon

Cyrkulacja termosyfonu w prostym solarnym podgrzewaczu wody (niedziałający model; nie ma dopływu wody do uzupełnienia zbiornika, gdy używany jest kran)

Termosyfon (lub termosyfon ) to metoda pasywnej wymiany ciepła , oparta na naturalnej konwekcji , która powoduje obieg płynu bez konieczności stosowania pompy mechanicznej. Termosyfonowanie służy do cyrkulacji cieczy i lotnych gazów w zastosowaniach związanych z ogrzewaniem i chłodzeniem, takich jak pompy ciepła, podgrzewacze wody, kotły i piece. Termosyfonowanie występuje również przy gradientach temperatury powietrza, takich jak te stosowane w kominie na drewno lub kominie słonecznym .

Cyrkulacja ta może przebiegać w pętli otwartej, na przykład gdy substancja w zbiorniku do przechowywania jest przepuszczana w jednym kierunku przez podgrzewaną rurę przesyłową zamontowaną na dnie zbiornika do punktu dystrybucji — nawet zamontowanego nad zbiornikiem wyjściowym — lub może być pionowym obiegiem zamkniętym z powrotem do pierwotnego pojemnika. Jego celem jest uproszczenie przesyłu cieczy lub gazu przy jednoczesnym uniknięciu kosztów i złożoności konwencjonalnej pompy.

Prosty termosyfon

Naturalna konwekcja cieczy rozpoczyna się, gdy przenoszenie ciepła do cieczy powoduje wzrost różnicy temperatur z jednej strony pętli na drugą. Zjawisko rozszerzalności cieplnej oznacza, że ​​różnica temperatur będzie miała odpowiednią różnicę gęstości w pętli. Cieplejszy płyn po jednej stronie pętli jest mniej gęsty, a zatem ma większą wyporność niż chłodniejszy płyn po drugiej stronie. Cieplejszy płyn będzie „unosił się” nad płynem chłodniejszym, a płyn chłodniejszy „tonie” pod płynem cieplejszym. To zjawisko naturalnej konwekcji znane jest pod powiedzeniem „ciepło unosi się”. Konwekcja przesuwa ogrzaną ciecz w układzie do góry, ponieważ jest ona jednocześnie zastępowana chłodniejszą cieczą powracającą grawitacyjnie. Dobry termosyfon ma bardzo mały hydrauliczny , dzięki czemu ciecz może łatwo przepływać pod stosunkowo niskim ciśnieniem wytwarzanym przez naturalną konwekcję.

Rury cieplne

Główny artykuł: rura cieplna

W niektórych sytuacjach przepływ cieczy może ulec dalszemu zmniejszeniu lub zatrzymaniu, być może dlatego, że pętla nie jest całkowicie wypełniona cieczą. W tym przypadku układ już nie konwektuje, więc nie jest to zwykły „termosyfon”.

Ciepło może być nadal przenoszone w tym systemie przez parowanie i skraplanie pary; jednak system jest właściwie klasyfikowany jako z rurką cieplną . Jeśli system zawiera również inne płyny, takie jak powietrze, wówczas gęstość strumienia ciepła będzie mniejsza niż w rzeczywistej rurce cieplnej, która zawiera tylko jedną substancję.

Termosyfon był czasami błędnie opisywany jako „ rurka cieplna z powrotem grawitacyjnym ”. Rury cieplne zwykle mają knot, który zawraca kondensat do parownika poprzez działanie kapilarne . Knot nie jest potrzebny w termosyfonie, ponieważ grawitacja porusza cieczą. Knot umożliwia rurom cieplnym przenoszenie ciepła, gdy nie ma grawitacji, co jest przydatne w kosmosie. Termosyfon jest „prostszy” niż rurka cieplna.

(Jednofazowe) termosyfony mogą przenosić ciepło tylko „w górę” lub z dala od wektora przyspieszenia. Dlatego orientacja jest znacznie ważniejsza w przypadku termosyfonów niż w przypadku rurek cieplnych. Ponadto termosyfony mogą zawieść z powodu pęcherzyka w pętli i wymagają cyrkulacyjnej pętli rur.

Reboilery i kalandria

Jeśli przewody termosyfonu stawiają opór przepływowi lub zastosowano nadmierne ciepło, ciecz może się zagotować. Ponieważ gaz ma większą wyporność niż ciecz, ciśnienie konwekcyjne jest większe. Jest to dobrze znany wynalazek zwany reboilerem . Grupa reboilerów przymocowanych do pary plen nazywana jest kalandrią. W niektórych okolicznościach, na przykład w układzie chłodzenia starszego samochodu (sprzed 1950 r.), wrzenie płynu spowoduje zatrzymanie działania układu, ponieważ wytworzona ilość pary wypiera zbyt dużo wody i zatrzymuje się cyrkulacja.

Termin „termosyfon zmiennofazowy” jest mylący i należy go unikać. [ Potrzebne źródło ] Kiedy w termosyfonie następuje zmiana fazy, oznacza to, że system albo nie ma wystarczającej ilości płynu, albo jest zbyt mały, aby przenieść całe ciepło przez samą konwekcję. Aby poprawić wydajność, potrzeba więcej płynu (ewentualnie w większym termosyfonie) lub wszystkie inne płyny (w tym powietrze) należy wypompować z pętli.

Energia słoneczna

System ogrzewania słonecznego wyposażony w termosyfon

Termosyfony są używane w niektórych płynnych systemach ogrzewania słonecznego do podgrzewania cieczy, takich jak woda . Woda jest podgrzewana biernie energią słoneczną i polega na przekazywaniu energii cieplnej ze słońca do kolektora słonecznego . Ciepło z kolektora może być przekazywane do wody na dwa sposoby: bezpośrednio tam, gdzie woda krąży w kolektorze, lub pośrednio, gdy płyn niezamarzający przenosi ciepło z kolektora i przekazuje je wodzie w zbiorniku przez wymiennik ciepła . Konwekcja pozwala na zastąpienie ruchu ogrzanej cieczy z kolektora słonecznego przez zimniejszą ciecz, która z kolei jest podgrzewana. Ze względu na tę zasadę konieczne jest magazynowanie wody w zbiorniku nad kolektorem

Architektura

Zestaw termosyfonów na międzynarodowym lotnisku Fairbanks , używany do schładzania wiecznej zmarzliny, na której zbudowane są budynki lotniska. Fundamenty budynków są zagrożone przemieszczeniem w przypadku topnienia wiecznej zmarzliny.

W miejscach historycznie zdominowanych przez warunki wiecznej zmarzliny termosyfony mogą być stosowane do przeciwdziałania niekorzystnym siłom geologicznym na fundamentach budynków, rurociągów i innych konstrukcji spowodowanych rozmrażaniem wiecznej zmarzliny. Badanie opublikowane w 2006 roku przez giganta naftowego ConocoPhillips donosi, że wieczna zmarzlina na Alasce, na której zbudowana jest większość infrastruktury stanu, uległa degradacji od 1982 roku w wyniku rekordowo wysokich temperatur. Według Alaska Climate Research Center na University of Alaska Fairbanks , między 1949 a 2018 rokiem średnia roczna temperatura na Alasce wzrosła o 4,0 stopnie Fahrenheita, przy wzroście o 7,2 stopnia Fahrenheita w okresie zimowym.

Przetwarzanie danych

Termosyfony służą do chłodzenia wodą wewnętrznych elementów komputera, najczęściej procesora . Chociaż można użyć dowolnej odpowiedniej cieczy, woda jest najłatwiejszą cieczą w systemach termosyfonowych. W przeciwieństwie do tradycyjnych chłodzenia wodą , systemy termosyfonowe nie opierają się na pompie, ale na konwekcji do przemieszczania podgrzanej wody (która może stać się parą) z komponentów w górę do wymiennika ciepła. Tam woda jest schładzana i jest gotowa do recyrkulacji. Najczęściej stosowanym wymiennikiem ciepła jest grzejnik , gdzie powietrze jest aktywnie wdmuchiwane przez system wentylatorów w celu skraplania pary do postaci cieczy. Ciecz jest recyrkulowana przez system, powtarzając w ten sposób proces. Nie jest wymagana pompa. Cykl parowania i skraplania jest napędzany różnicą temperatur.

Używa

Bez odpowiedniego chłodzenia nowoczesny układ procesora może szybko osiągnąć temperatury, które powodują jego nieprawidłowe działanie. Nawet przy podłączonym wspólnym radiatorze i wentylatorze typowe temperatury pracy procesora mogą nadal sięgać 70°C (160°F). Termosyfon może wydajnie przenosić ciepło w znacznie szerszym zakresie temperatur i zazwyczaj utrzymuje temperaturę procesora niższą o 10–20°C niż tradycyjny radiator i wentylator. W niektórych przypadkach możliwe jest również, że termosyfon może obejmować wiele źródeł ciepła i pod względem konstrukcyjnym być bardziej kompaktowy niż konwencjonalny radiator i wentylator o odpowiedniej wielkości.

Wady

Termosyfony należy montować w taki sposób, aby para unosiła się do góry, a ciecz spływała do kotła, bez zagięć w przewodach doprowadzających ciecz do zbiornika. Również wentylator termosyfonu, który chłodzi gaz, potrzebuje do działania chłodnego powietrza. System musi być całkowicie szczelny; w przeciwnym razie proces termosyfonu nie zadziała i spowoduje, że woda odparuje tylko przez krótki czas.

Chłodzenie silnika

Schemat chłodzenia silnika z 1937 r. Całkowicie za pomocą cyrkulacji termosyfonu

Wczesne samochody, pojazdy silnikowe oraz sprzęt rolniczy i przemysłowy napędzany silnikiem wykorzystywały cyrkulację termosyfonu do przemieszczania wody chłodzącej między blokiem cylindrów a chłodnicą . Zależały one od ruchu samochodu do przodu i wentylatorów, aby przemieścić wystarczającą ilość powietrza przez chłodnicę, aby zapewnić różnicę temperatur, która spowodowała cyrkulację termosyfonu. Wraz ze wzrostem mocy silnika wymagany był zwiększony przepływ, dlatego dodano pompy napędzane silnikiem, aby wspomóc krążenie. Bardziej kompaktowe silniki wykorzystywały wówczas mniejsze chłodnice i wymagały bardziej zawiłych schematów przepływu, więc obieg stał się całkowicie zależny od pompy, a nawet mógł zostać odwrócony w stosunku do naturalnego obiegu. Silnik chłodzony tylko przez termosyfon jest podatny na przegrzanie podczas dłuższych okresów pracy na biegu jałowym lub bardzo powolnej jazdy, gdy przepływ powietrza przez chłodnicę jest ograniczony, chyba że jeden lub więcej wentylatorów jest w stanie poruszyć wystarczającą ilość powietrza, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie. Są również bardzo wrażliwe na niski poziom chłodziwa, tzn. utrata tylko niewielkiej ilości chłodziwa zatrzymuje obieg; system napędzany pompą jest znacznie bardziej wytrzymały i zwykle radzi sobie z niższym poziomem płynu chłodzącego.

Zobacz też

  1. ^ „Technologia termosyfonu do sztucznego zamrażania gruntu (AGF)” . simmakers.com . Simmakers Ltd. 2017. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 5 marca 2021 r . Źródło 23 stycznia 2021 r .
  2. ^ Holubec I (2008). „Podstawy termosyfonu z płaską pętlą w ciepłej wiecznej zmarzlinie (przygotowane dla rządu Wydziału Zarządzania Aktywami NT, roboty i usługi publiczne oraz ocena podatności na zmiany klimatu Kanadyjska Rada Inżynierów Zawodowych” (PDF ) . geocryology.files.wordpress.com .
  3. ^ „Zasady rur grzewczych z rurami próżniowymi” . BTF Solar . 2007. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 17 sierpnia 2014 r . Źródło 23 lipca 2021 r .
  4. ^ „Termosyfonowe wymienniki ciepła” . apogee.net . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 3 kwietnia 2013 r . Źródło 23 lipca 2021 r .
  5. ^ Haslego C (2010). „Co to jest rura cieplna?” . Społeczność Cheresources.com .
  6. ^ Norton B. (2011). „Słoneczne podgrzewacze wody: przegląd badań systemowych i innowacji projektowych” . Zielony . 1 (2): 189–207. doi : 10.1515/zielony.2011.016 .
  7. ^ Wagner AM (2014). „Przegląd zastosowań termosyfonu” (PDF) . ERDC/CRREL TR-14-1. Centrum Badań i Rozwoju Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych (ERDC). Zarchiwizowane (PDF) od oryginału w dniu 25 czerwca 2021 r . Źródło 24 czerwca 2021 r .
  8. ^ Jorgenson MT, Shur YL, Pullman ER (2006). „Gwałtowny wzrost degradacji wiecznej zmarzliny na arktycznej Alasce” . Listy z badań geofizycznych . 33 (2): L02503. doi : 10.1029/2005GL024960 .
  9. ^ „Całkowita zmiana średniej sezonowej i rocznej temperatury (° F), 1949-2018” . Alaska Climate Research Center (wykres z artykułu ). Instytut Geofizyczny, University of Alaska Fairbanks. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 09.09.2021 . Źródło 2021-06-25 . {{ cite web }} : Link zewnętrzny w |type= ( pomoc )
  10. ^ Kuemel B (2005). „Termosyfon chłodzący opary procesora” . overclockers.com . Źródło 26 sierpnia 2012 r .

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thermosiphon&oldid=1121973252 ”