Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Циркуляция термосифона в простом солнечном водонагревателе

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.

Простой термосифон [ править ]

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 с другой стороны. 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 [ править ]

Основная статья: тепловая трубка

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. [1] [2] Если система также содержит другие жидкости, такие как воздух, тогда плотность теплового потока будет меньше, чем в реальной тепловой трубке, содержащей только одно вещество.

Иногда термосифон неправильно описывают как « тепловую трубу с самотечным возвратом ». [3] 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. [4] Фитиль позволяет тепловым трубкам передавать тепло в отсутствие силы тяжести, что полезно в космосе. Термосифон «проще» тепловой трубки. [5]

(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 каландрия [ править ]

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. [ необходима цитата ] Когда в термосифоне происходит фазовое изменение, 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 [ править ]

Солнечная система отопления с термосифоном

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 перемещать нагретую жидкость из солнечного коллектора.заменяется более холодной жидкостью, которая, в свою очередь, нагревается. По этому принципу необходимо, чтобы вода хранилась в резервуаре над коллектором [6]

Вычисления [ править ]

Термосифоны используются для водяного охлаждения внутренних компонентов компьютера [7], 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., где воздух активно продувается через систему вентилятора 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 [ редактировать ]

Без надлежащего охлаждения современная микросхема процессора может быстро нагреться до температуры, вызывающей сбои в ее работе. 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 [ править ]

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 [ править ]

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, поэтому для улучшения циркуляции были добавлены насосы с приводом от двигателя. 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 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. Также они 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.

См. Также [ править ]

  • Конвекция
  • Геотермальный тепловой насос
  • Тепловая труба и контурная тепловая труба
  • Пассивный солнечный
  • Ребойлер
  • Сифон
  • Солнечное отопление
  • Термический сифон
  • Парокомпрессионное охлаждение
  • Водяное охлаждение
  • Томас Фаулер (изобретатель)

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Термосифонная технология искусственного замораживания грунта (AGF)" . simmakers.com .
  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, Канадский совет профессиональных инженеров») (PDF) .
  3. ^ btfsolar.com
  4. ^ "Термосифонные теплообменники" . apogee.net .
  5. ^ «Что такое тепловая труба? - Другие темы - Статьи - Химическая инженерия - Первая страница - Cheresources.com» . Сообщество Cheresources.com .
  6. ^ Брайан Нортон (2011) Солнечные водонагреватели: Обзор системных исследований и инноваций в дизайне, Green. 1, 189–207, ISSN (Online) 1869-8778
  7. ^ Куэмель, Бернхард. "Термосифон с паровым охлаждением процессора" . overclockers.com/ . Проверено 26 августа 2012 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Отчет HP Labs по термосифонам для охлаждения компьютеров (PDF)