Термосифон (или термосифон ) — это метод пассивного теплообмена , основанный на естественной конвекции , который обеспечивает циркуляцию жидкости без необходимости 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 при градиентах температуры воздуха, таких как те, которые используются в дымоходах для дровяного огня или солнечных дымоходах .
Эта циркуляция может быть либо открытой, когда вещество в резервуаре хранения передается в одном направлении через подогреваемую передаточную трубу, установленную на дне резервуара, в распределительную точку — даже установленную над исходным резервуаром — или это может быть вертикальная замкнутая цепь с возвратом в исходный контейнер. Ее цель — упростить передачу жидкости или газа, избежав при этом стоимости и сложности обычного насоса.
.jpg/1280px-Solar_panels_and_water_tanks_on_Tel_Aviv_rooftops_(10009).jpg)
Естественная конвекция жидкости начинается, когда передача тепла жидкости приводит к разнице температур с одной стороны петли на другую. Явление теплового расширения означает, что разность температур будет иметь соответствующую разницу в плотности по всей петле. 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 «тонуть» под более теплой жидкостью. Это явление естественной конвекции известно под поговоркой «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 малое гидравлическое сопротивление, поэтому жидкость может легко течь под относительно низким давлением, создаваемым естественной конвекцией.
В некоторых ситуациях поток жидкости может быть еще больше уменьшен или остановлен, возможно, потому что контур не полностью заполнен жидкостью. В этом случае система больше не конвектирует, так что это не обычный «термосифон».
Тепло в этой системе все еще может передаваться путем испарения и конденсации пара; однако система правильно классифицируется как термосифон с тепловой трубкой . [1] [2] Если система также содержит другие жидкости, такие как воздух, то плотность теплового потока будет меньше, чем в настоящей тепловой трубке, которая содержит только одно вещество.
Термосифон иногда неправильно описывали как «тепловую трубку с возвратом под действием силы тяжести». [3] Тепловые трубки обычно имеют фитиль для возврата конденсата в испаритель посредством капиллярного эффекта . Фитиль не нужен в термосифоне, поскольку гравитация перемещает жидкость. [4] Фитиль позволяет тепловым трубкам передавать тепло при отсутствии силы тяжести, что полезно в космосе. Термосифон «проще» тепловой трубки. [5]
(Однофазные) термосифоны могут передавать тепло только «вверх» или от вектора ускорения. Таким образом, ориентация гораздо важнее для термосифонов, чем для тепловых трубок. Кроме того, термосифоны могут выйти из строя из-за пузырька в контуре и требуют циркуляционного контура трубок.
Если трубопровод термосифона сопротивляется потоку или применяется избыточное тепло, жидкость может закипеть. Поскольку газ более плавучий, чем жидкость, конвективное давление больше. Это хорошо известное изобретение, называемое ребойлером . Группа ребойлеров, прикрепленных к паре плен, называется каландрией. В некоторых обстоятельствах, например, в системе охлаждения старого (до 1950-х годов) автомобиля, кипение жидкости приведет к тому, что система перестанет работать, так как объем созданного пара вытесняет слишком много воды, и циркуляция прекращается.
Термин «термосифон с изменением фазы» является неправильным и его следует избегать. [ необходима цитата ] Когда в термосифоне происходит изменение фазы, это означает, что в системе либо недостаточно жидкости, либо она слишком мала, чтобы передать все тепло только конвекцией. Для улучшения производительности либо требуется больше жидкости (возможно, в большем термосифоне), либо все остальные жидкости (включая воздух) следует откачать из контура.
Термосифоны используются в некоторых жидкостных системах солнечного отопления для нагрева жидкости, такой как вода . Вода нагревается пассивно солнечной энергией и зависит от тепловой энергии, передаваемой от солнца 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 баке через теплообменник . Конвекция позволяет перемещать нагретую жидкость из солнечного коллектора, заменяя ее более холодной жидкостью, которая, в свою очередь, нагревается. Из-за этого принципа необходимо, чтобы вода хранилась в баке над коллектором. [6]
В местах, где исторически преобладают условия вечной мерзлоты, термосифоны могут использоваться для противодействия неблагоприятным геологическим силам на фундаментах 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 исследований климата Аляски при Университете Аляски в Фэрбанксе , в период с 1949 по 2018 год среднегодовая температура на Аляске выросла на 4,0 градуса по Фаренгейту, при этом за зиму она увеличилась на 7,2 градуса по Фаренгейту. [9]
Термосифоны используются для водяного охлаждения внутренних компонентов компьютера, [10] 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 используемым теплообменником является радиатор , где вентиляторы активно продувают воздух через увеличенную площадь поверхности, чтобы конденсировать пар в жидкость. Более плотная жидкость падает, таким образом рециркулируя через систему и повторяя процесс. Насос не требуется. Цикл испарения и конденсации управляется разницей температуры и гравитации.
Без надлежащего охлаждения современный процессорный чип может быстро достичь температур, которые приведут к его неисправности. Даже при наличии обычного радиатора и вентилятора типичные рабочие температуры процессора могут 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.
Термосифоны должны быть установлены таким образом, чтобы пар поднимался вверх, а жидкость стекала вниз в котел, без изгибов в трубке для скопления жидкости. Кроме того, вентилятору термосифона, который охлаждает газ, для работы необходим холодный воздух. Система должна быть полностью герметичной; в противном случае процесс термосифона не будет работать и вода будет испаряться только в течение небольшого периода времени.
.jpg/1280px-Thermo-syphon_cooling_circulation_(Manual_of_Driving_and_Maintenance).jpg)
Некоторые ранние автомобили, моторизованные транспортные средства и работающее на двигателе сельскохозяйственное и промышленное оборудование использовали термосифонную циркуляцию для перемещения охлаждающей воды между блоком цилиндров и радиатором. Этот метод циркуляции воды зависит от поддержания достаточного количества холодного воздуха, проходящего мимо радиатора, для обеспечения достаточной разницы температур; движение воздуха осуществлялось за счет поступательного движения транспортного средства и использования вентиляторов. По мере увеличения мощности двигателя требовался увеличенный поток воды, поэтому для обеспечения циркуляции были добавлены насосы с приводом от двигателя. Более компактные двигатели начали использовать радиаторы меньшего размера и требовали более запутанных схем потока, поэтому циркуляция воды стала полностью зависеть от насоса и даже могла быть обращена против ее естественного направления. Двигатель, который циркулирует охлаждающую воду только с помощью термосифона, подвержен перегреву во время длительных периодов холостого хода или очень медленного хода, поскольку отсутствие поступательного движения обеспечивает слишком малый поток воздуха мимо радиатора, если только один или несколько вентиляторов не могут перемещать достаточно воздуха самостоятельно. Термосифонные системы также очень чувствительны к низкому уровню охлаждающей жидкости, т. е. потеря даже небольшого количества охлаждающей жидкости останавливает циркуляцию; Система с насосным приводом гораздо более надежна и обычно может работать с более низким уровнем охлаждающей жидкости.
Во многих моделях эспрессо-машин используется термосифон для поддержания стабильной температуры.
Кофемашина эспрессо E-61 имеет групповую головку с термосифоном. Такая групповая головка распространена во многих современных кофемашинах эспрессо.
Некоторые рычажные эспрессо-машины имеют двойную стенку вокруг поршня в своей группе, которая используется для термосифона. Современным примером могут служить машины из Londinium.
{{cite web}}: Внешняя ссылка в |type=