Кіріспе

Конвекция арқылы сорғысыз айналымды қамтамасыз ететін жылу алмасу әдісі. Термосифон (немесе термосифон) – механикалық сорғының қажеттілігінсіз сұйықтықты айналдыратын, табиғи конвекцияға негізделген пассивті жылу алмасу әдісі. Термосифондық жүйелер жылу сорғылары, су жылытқыштар, қазандықтар және пештер сияқты жылу және салқындату қолданбаларында сұйықтықтар мен ұшқыш газдардың айналымын қамтамасыз ету үшін қолданылады. Термосифондық айналым ауа температурасының градиенттерінде де кездеседі, мысалы, ағаш отты түтін шығаратын құбырларда немесе күн түтін шығаратын құбырларда қолданылатын градиенттерде. Бұл айналым ашық цикл түрінде болуы мүмкін, мысалы, затты сақтау ыдысынан резервуардың төменгі жағында орнатылған қыздырылған беру түтігі арқылы тарату нүктесіне бір бағытта жіберіледі, тіпті бастапқы резервуардың үстінде орналасқан нүктеге дейін, немесе ол бастапқы ыдысқа қайтарылатын тік, жабық циклдік схема болуы мүмкін. Оның мақсаты – сұйықтықты немесе газды тасымалдауды жеңілдету, сонымен қатар дәстүрлі сорғының құны мен күрделілігінен сақтану.

Қарапайым термосифон

Сұйықтың табиғи конвекциясы сұйыққа жылу беру циклдің бір жағынан екінші жағына температура айырмашылығын тудырғанда басталады. Термиялық кеңею құбылысы температура айырмашылығына цикл бойынша тығыздық айырмашылығы сәйкес келеді дегенді білдіреді. Циклдің бір жағындағы жылы сұйықтық салқын сұйықтыққа қарағанда тығыздығы төмен және осылайша, инерциясы жоғары. Жылы сұйықтық суық сұйықтықтың үстіне "көтеріледі", ал суық сұйықтық жылы сұйықтықтың астына "батырады". Табиғи конвекция құбылысы "жылу жоғары көтеріледі" деген мақалмен белгілі. Конвекция жүйеде қыздырылған сұйықтықты жоғары қарай жылжытады, ал оның орнына гравитация күшімен қайтып келетін салқын сұйықтық толтырылады. Жақсы термосифонның гидравликалық қарсылығы өте төмен, сондықтан сұйықтық табиғи конвекция тудыратын салыстырмалы түрде төмен қысымда оңай ағып өтеді.

Жылу құбырлары

Кейбір жағдайларда сұйықтық ағыны одан әрі азаюы немесе тоқтауы мүмкін, мысалы, егер цикл сұйықтықпен толығымен толтырылмаған болса. Бұл жағдайда жүйе конвекцияға ұшырамайды, сондықтан бұл қалыпты "термосифон" емес. Жылу осы жүйеде будың булануы және конденсациялануы арқылы берілуі мүмкін; алайда, жүйе дұрыс жылу құбыры термосифоны ретінде жіктеледі. Егер жүйеде ауа сияқты басқа сұйықтықтар болса, онда жылу ағынының тығыздығы нақты жылу құбырынан кем болады, ол тек бір затты ғана қамтиды. Термосифонды кейде қате түрде "гравитациялық қайтымды жылу құбыры" деп сипаттайды. Жылу құбырлары конденсатты капиллярлық әрекет арқылы буландырушыға қайтару үшін әдетте фитильді пайдаланады. Термосифонға фитильдің қажеті жоқ, өйткені сұйықтықты ауырлық күші қозғайды. Фитиль ауырлық күші болмаған кезде жылу құбырларына жылу беруге мүмкіндік береді, бұл ғарыш үшін пайдалы. Термосифон жылу құбырынан "қарпайым". (Бір фазалы) термосифондар жылуды тек "жоғары" немесе үдеу векторынан алысқа ғана жеткізе алады. Осылайша, термосифонға жылу құбырларына қарағанда дұрыс бағыт беру маңыздырақ. Сонымен қатар, термосифондар циклдегі көпіршіктердің пайда болуынан бұзылуы мүмкін және құбырлардың айналымдық циклін қажет етеді.

Қайта қайнату және каландра

Егер термосифонның құбырлары ағысқа кедергі келтірсе немесе артық жылу берілсе, сұйықтық қайнауы мүмкін. Газ сұйықтықтан жеңіл болғандықтан, конвекциялық қысым артады. Бұл – қайта қайнатқыш деп аталатын белгілі бір өнертабыс. Екі толыққанды камераға (пленаға) қосылған қайта қайнатқыштар тобы каландр деп аталады. Кейбір жағдайларда, мысалы, ескі (1950 жылдарға дейінгі) автомобильдің салқындату жүйесінде, сұйықтықтың қайнауы жүйенің жұмысын тоқтатуы мүмкін, себебі пайда болған бу көлемі судың көп бөлігін ығыстырып, айналым тоқтатылады. "Фазалық өзгерісті термосифон" термині қате және оны қолданудан аулақ болу керек. Термосифонда фазалық өзгеріс болса, бұл жүйеде сұйықтық жеткіліксіз немесе барлық жылуды конвекция арқылы беру үшін тым кішкентай екенін білдіреді. Тиімділікті арттыру үшін, көбірек сұйықтық қажет болуы мүмкін (мүмкін үлкен термосифонда), немесе барлық басқа сұйықтықтар (ауа қоса алғанда) контурден толығымен шығарылуы керек.

Күн энергиясы

Термосифондар кейбір сұйықтыққа негіделген күн жылыту жүйелерінде су сияқты сұйықтықты қыздыру үшін қолданылады. Су күн энергиясымен пассивті түрде қыздырылады және күннен күн коллекторына берілетін жылу энергиясына тәуелді. Коллектордан жылу екі жолмен суға берілуі мүмкін: тікелей, су коллектор ішінде айналым жасау арқылы, немесе жанама, антифриз ерітіндісі коллектордан жылуды алып, жылу алмастырғыш арқылы резервуардағы суға жеткізеді. Конвекция қыздырылған сұйықтың күн коллекторынан жылжуына және оның орнына салқын сұйықтың келуіне мүмкіндік береді, ол өз кезегінде қыздырылады. Осы принципке сәйкес, су коллектордан жоғары орналасқан резервуарда сақталуы тиіс.

Сәулет

Тарихи тұрғыдан мәңгі тоң басым болған аймақтарда, термосифондар ғимараттардың, құбырлардың және басқа да құрылыстардың іргетастарына мәңгі тоңның еруінен туындаған зиянды геологиялық күштерге қарсы қолданылуы мүмкін. 2006 жылы мұнай компаниясы ConocoPhillips жариялаған зерттеуде Алясканың көптеген инфрақұрылымдары салынған мәңгі тоң қабаты 1982 жылдан бері рекордтық жылу температураның әсерінен нашарлағаны хабарланды. Аляска Фэрбенкс университетіндегі Аляска климаттық зерттеу орталығының мәліметтері бойынша, 1949 мен 2018 жылдар аралығында Аляскадағы орташа жылдық температура 4,0 градус Фаренгейтке, ал қыс айларында 7,2 градус Фаренгейтке өсті.

Есептеу

Термосифондар компьютердің ішкі компоненттерін, ең көп кездесетіні процессорды сумен салқындату үшін қолданылады. Кез келген қолайлы сұйықтықты пайдалануға болады, бірақ термосифондық жүйелерде суды қолдану оңай. Дәстүрлі сумен салқындату жүйелерінен өзгеше, термосифондық жүйелер қызған суды (буға айналуы мүмкін) компоненттерден жоғары қарай жылу алмастырғышқа жылжыту үшін сорғыға емес, конвекцияға сенеді. Жылу алмастырғышта су салқындатылып, қайта айналымға дайын болады. Ең көп қолданылатын жылу алмастырғыш – радиатор, онда желдеткіштер буды сұйықтыққа конденсациялау үшін ауаны үрлейді. Тығыз сұйықтық төмен түсіп, жүйе арқылы қайта айналып, процесс қайталанады. Сорғы қажет емес. Булану және конденсация циклі температураның және гравитацияның айырмашылығымен қозғалады.

Қолданылуы

Егер процессорды тиісті түрде салқындатпаса, қазіргі заманғы процессорлік чип температурасы тез өсіп, оның жұмысын бұзуы мүмкін. Жай ғана жылу таратушы және желдеткіш орнатылған жағдайда да, процессордың әдеттегі жұмыс температурасы 70 °C (160 °F) дейін жете алады. Термосифон жылуды әлдеқайда кең температуралық диапазонмен тиімді түрде тасымалдайды және процессор температурасын дәстүрлі жылу таратушы мен желдеткіштен 10–20 °C төмен ұстай алады. Кейбір жағдайларда термосифон бірнеше жылу көздерін қамтуы мүмкін, сондай-ақ конструкциялық тұрғыдан алғанда, тиісті өлшемдегі стандартты жылу таратушы мен желдеткіштен ықшамдау болуы мүмкін.

Кемшіліктері

Термосифонды бу жоғары көтеріліп, сұйықтық қазанға ағып түсетіндей етіп орнату қажет, ал сұйықтық жиналмауы үшін түтіктерде кез келген бүгілістер болмауы тиіс. Сонымен қатар, термосифонның газды салқындататын желдеткішінің жұмыс істеуі үшін салқын ауа керек. Жүйе толығымен герметикалық болуы шарт, әйтпесе термосифон процесі іске қосылмай, су аз ғана уақыт ішінде буланып кетеді.

Қозғалтқышты салқындату

Кейбір алғашқы автомобильдер, моторлы көліктер және қозғалтқышпен жұмыс істейтін шаруашылық және өнеркәсіптік жабдықтар суыту суын цилиндр блогы мен радиатор арасында жылжыту үшін термосифондық циркуляцияны пайдаланды. Осы су циркуляциясы әдісі радиатор арқылы жеткілікті мөлшерде салқын ауа өтуіне және тиісті температура айырмашылығын қамтамасыз етуге байланысты; ауа қозғалысы көліктің алға жылжуымен және желдеткіштерді қолдану арқылы жүзеге асырылды. Қозғалтқыш қуаты артқан сайын, су ағынының көлемі де артты, сондықтан циркуляцияны күшейту үшін қозғалтқышпен жұмыс істейтін сорғылар қосылды. Шағын қозғалтқыштар кішкентай радиаторларды қолдана бастады және су ағыны күрделі схемаларды қажет етті, сондықтан су циркуляциясы толығымен сорғыға тәуелді болды және тіпті табиғи бағытына қарсы ағынға түсуі мүмкін. Суыту суын тек термосифон арқылы циркуляциялайтын қозғалтқыш ұзақ уақыт бойы тоқтағанда немесе өте баяу қозғалғанда қызып кетуі мүмкін, себебі алға жылдамдық болмағандықтан радиатор арқылы жеткілікті ауа ағыны қамтамасыз етілмейді, егер бір немесе бірнеше желдеткіштер өздігінен жеткілікті ауаны қозғалта алмаса. Термосифондық жүйелер салқындатқыш деңгейінің төмендеуіне де өте сезімтал, яғни салқындатқыштың аз ғана мөлшері жоғалса циркуляция тоқтап қалады; сорғымен жұмыс істейтін жүйе одан әлдеқайда сенімді және әдетте салқындатқыш деңгейінің төмендеуіне төтеп бере алады.

Эспрессо машиналары

Көптеген эспрессо машиналары тұрақты температураны сақтау үшін термосифонды пайдаланады. E 61 эспрессо машинасы термосифонды топтық басына ие. Бұл топтық бас бүгінгі көптеген эспрессо машиналарында кең таралған. Кейбір иілгіш эспрессо машиналарында поршеньнің айналасында термосифон үшін қолданылатын қос қабырға болады. Лондиниум машиналары – заманауи мысал.