Термосифон
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( Март 2009 г. ) |
Термосифон (или термосифон ) — это метод пассивного теплообмена , основанный на естественной конвекции , при котором жидкость циркулирует без необходимости 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 при градиентах температуры воздуха, например, в дровяных дымоходах или солнечных дымоходах .
Эта циркуляция может быть либо разомкнутой, например, когда вещество в накопительном резервуаре подается в одном направлении через нагретую передающую трубку, установленную в нижней части резервуара, к точке распределения (даже той, которая установлена над исходным резервуаром), либо она может быть представлять собой вертикальную замкнутую схему с возвратом в исходный контейнер. Его цель — упростить перекачку жидкости или газа, избегая при этом стоимости и сложности обычного насоса.
Простой термосифон
[ редактировать ]
Естественная конвекция жидкости начинается, когда передача тепла жидкости приводит к разнице температур с одной стороны контура на другую. Явление теплового расширения означает, что разница температур будет иметь соответствующую разницу в плотности по всему контуру. 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 «тонет» под более теплой жидкостью. Это явление естественной конвекции известно под поговоркой «тепло поднимается». Конвекция перемещает нагретую жидкость вверх по 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 трубки
[ редактировать ]В некоторых ситуациях поток жидкости может быть дополнительно уменьшен или остановлен, возможно, потому, что контур не полностью заполнен жидкостью. В этом случае система уже не конвектирует, а значит, это не обычный «термосифон».
В этой системе тепло все еще может передаваться путем испарения и конденсации пара; однако система правильно классифицируется как термосифон с тепловой трубкой . [1] [2] Если в системе присутствуют и другие жидкости, например воздух, то плотность теплового потока будет меньше, чем в реальной тепловой трубе, содержащей только одно вещество.
Термосифон иногда ошибочно называют «тепловой трубкой с гравитационным возвратом». [3] Тепловые трубки обычно имеют фитиль для возврата конденсата в испаритель посредством капиллярного действия . В термосифоне фитиль не нужен, поскольку жидкость перемещается под действием силы тяжести. [4] Фитиль позволяет тепловым трубкам передавать тепло при отсутствии гравитации, что полезно в космосе. Термосифон «проще», чем тепловая трубка. [5]
(Однофазные) термосифоны могут передавать тепло только «вверх» или от вектора ускорения. Таким образом, для термосифонов ориентация гораздо важнее, чем для тепловых трубок. Кроме того, термосифоны могут выйти из строя из-за пузырька в контуре и потребовать наличия циркуляционного контура из труб.
Ребойлеры и каландрии
[ редактировать ]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 плен, называется каландрией. В некоторых случаях, например, в системе охлаждения более старого автомобиля (до 1950-х годов), кипение жидкости приведет к тому, что система перестанет работать, поскольку образовавшийся объем пара вытесняет слишком много воды, и циркуляция прекращается.
Термин «термосифон с фазовым переходом» является неправильным, и его следует избегать. [ нужна ссылка ] 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 улучшения производительности необходимо либо увеличить количество жидкости (возможно, в термосифоне большего размера), либо следует откачать все остальные жидкости (включая воздух) из контура.
Солнечная энергия
[ редактировать ]
Термосифоны используются в некоторых системах солнечного отопления на жидкой основе для нагрева жидкости, такой как вода . Вода нагревается пассивно и солнечной энергией зависит от передачи тепловой энергии от солнца к солнечному коллектору . 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 резервуаре через теплообменник . Конвекция позволяет перемещать нагретую жидкость из солнечного коллектора и заменять ее более холодной жидкостью, которая, в свою очередь, нагревается. По этому принципу воду необходимо хранить в резервуаре над коллектором. [6]
Архитектура
[ редактировать ]
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. [7] Исследование, опубликованное в 2006 году нефтяным гигантом ConocoPhillips, сообщает, что вечная мерзлота Аляски, на которой построена большая часть инфраструктуры штата, деградировала с 1982 года на фоне рекордно высоких температур. [8] По данным Центра климатических исследований Аляски при Университете Аляски в Фэрбенксе , в период с 1949 по 2018 год среднегодовая температура на Аляске выросла на 4,0 градуса по Фаренгейту, а за зиму она выросла на 7,2 градуса по Фаренгейту. [9]
Вычисление
[ редактировать ]Термосифоны используются для водяного охлаждения внутренних компонентов компьютера. [10] чаще всего процессор . 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 движения 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 вентиляторы активно продувают воздух по увеличенной площади поверхности, конденсируя пар в жидкость. Более плотная жидкость падает, рециркулируя таким образом по системе и повторяя процесс. Насос не требуется. Цикл испарения и конденсации обусловлен разницей температур и силы тяжести.
Использование
[ редактировать ]Без надлежащего охлаждения современный процессорный чип может быстро достичь температуры, которая приведет к его неисправности. Даже при наличии общего радиатора и вентилятора типичная рабочая температура процессора может достигать 70 °C (160 °F). Термосифон может эффективно передавать тепло в гораздо более широком диапазоне температур и обычно поддерживает 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 подходящего размера.
Недостатки
[ редактировать ]Термосифоны должны быть установлены таким образом, чтобы пар поднимался вверх, а жидкость стекала вниз в котел, без изгибов трубок, в которых жидкость может скапливаться. Кроме того, для работы вентилятора термосифона, охлаждающего газ, необходим холодный воздух. Система должна быть полностью герметичной; в противном случае процесс термосифона не подействует и приведет к испарению воды только в течение небольшого периода времени.
Охлаждение двигателя
[ редактировать ]
Некоторые ранние автомобили, автомобили, а также сельскохозяйственное и промышленное оборудование с двигателем использовали термосифонную циркуляцию для перемещения охлаждающей воды между блоком цилиндров и радиатором. Этот метод циркуляции воды зависит от того, чтобы мимо радиатора проходил достаточно прохладный воздух, чтобы обеспечить достаточный перепад температур; Движение воздуха осуществлялось за счет движения вперед транспортного средства и использования вентиляторов. По мере увеличения мощности двигателя требовался увеличенный поток воды, поэтому для улучшения циркуляции были добавлены насосы с приводом от двигателя. В более компактных двигателях стали использовать радиаторы меньшего размера и требовать более сложной схемы потока, поэтому циркуляция воды стала полностью зависеть от насоса и даже могла быть изменена в противоположную от ее естественного направления. Двигатель, в котором охлаждающая вода циркулирует только с помощью термосифона, подвержен перегреву во время длительных периодов работы на холостом ходу или при очень медленном движении, поскольку отсутствие движения вперед обеспечивает слишком малый поток воздуха мимо радиатора, если только один или несколько вентиляторов не могут самостоятельно перемещать достаточное количество воздуха. . Термосифонные системы также очень чувствительны к низкому уровню охлаждающей жидкости, т.е. потеря лишь небольшого количества охлаждающей жидкости прекращает циркуляцию; система с насосом гораздо более надежна и обычно может работать с более низким уровнем охлаждающей жидкости.
Эспрессо-машины
[ редактировать ]Во многих конструкциях кофемашин для эспрессо используется термосифон для поддержания стабильной температуры.
Эспрессо-машина Е -61 имеет групповую головку с термосифоном. Эта головка группы сегодня распространена на многих кофемашинах для приготовления эспрессо.
Некоторые рычажные кофемашины для эспрессо имеют двойную стенку вокруг поршня в своей группе, которая используется в качестве термосифона. Современным примером могут служить машины из Лондиниума.
См. также
[ редактировать ]
- Конвекция - поток жидкости, возникающий из-за неоднородных свойств жидкости и массовых сил.
- Геотермальный тепловой насос — система для передачи тепла в/из земли.
- Тепловая трубка — устройство теплопередачи, использующее фазовый переход, и петлевая тепловая труба — двухфазное устройство теплопередачи.
- Пассивная солнечная энергия — архитектурное проектирование, использующее солнечное тепло без электрических или механических систем.
- Ребойлер - теплообменники, обычно используемые для подачи тепла в нижнюю часть промышленных дистилляционных колонн.
- Сифон - Устройство, обеспечивающее протекание жидкости по трубкам.
- Солнечное отопление — устройство, которое собирает тепло.
- Термический сифон - теплообменный элемент в топке некоторых паровых котлов.
- Парокомпрессионное охлаждение – Процесс охлаждения
- Водяное охлаждение — метод отвода тепла от компонентов и промышленного оборудования.
- Томас Фаулер (изобретатель) – британский изобретатель.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Термосифонная технология искусственного замораживания грунтов (АГП)» . simmakers.com . Simmakers Ltd., 2017. Архивировано из оригинала 5 марта 2021 года . Проверено 23 января 2021 г.
- ^ Голубец I (2008). «Фундаменты из термосифона с плоской петлей в теплой вечной мерзлоте (подготовлено для правительства Отдела управления активами штата Северная Каролина, общественных работ и услуг и оценки уязвимости к изменению климата, Канадский совет профессиональных инженеров» (PDF) . geocryology.files.wordpress.com .
- ^ «Принципы тепловой трубки с вакуумной трубкой» . БТФ Солнечная . 2007. Архивировано из оригинала 17 августа 2014 года . Проверено 23 июля 2021 г.
- ^ «Термосифонные теплообменники» . Апогей Интерактив . Архивировано из оригинала 3 апреля 2013 года . Проверено 23 июля 2021 г.
- ^ Хаслего, К. (8 ноября 2010 г.). «Что такое тепловая трубка?» . Сообщество Cheresources.com . Архивировано из оригинала 27 октября 2023 года.
- ^ Нортон Б. (2011). «Солнечные водонагреватели: обзор системных исследований и инноваций в дизайне». Зеленый . 1 (2): 189–207. дои : 10.1515/green.2011.016 . S2CID 138026949 .
- ^ Вагнер А.М. (2014). «Обзор применения термосифона» (PDF) . ERDC/CRREL TR-14-1. Центр инженерных исследований и разработок армии США (ERDC). Архивировано (PDF) из оригинала 25 июня 2021 г. Проверено 24 июня 2021 г.
- ^ Йоргенсон М.Т., Шур Ю.Л., Пуллман Э.Р. (2006). «Резкое усиление деградации вечной мерзлоты в Арктической Аляске» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (2): L02503. Бибкод : 2006GeoRL..33.2503J . дои : 10.1029/2005GL024960 .
- ^ «Общее изменение средней сезонной и годовой температуры (° F), 1949–2018 гг.» . Центр климатических исследований Аляски (диаграмма из статьи ). Геофизический институт Университета Аляски в Фэрбенксе. Архивировано из оригинала 9 сентября 2021 г. Проверено 25 июня 2021 г.
{{cite web}}: Внешняя ссылка в|type= - ^ Куемель Б. (2005). «Термосифон парового охлаждения процессора» . overlockers.com . Проверено 26 августа 2012 г.