Введение
Метод теплообмена, в котором конвекция обеспечивает безнасосную циркуляцию.
Термосифон (или термосифон) – это метод пассивного теплообмена, основанный на естественной конвекции, который обеспечивает циркуляцию жидкости без необходимости использования механического насоса. Термосифон применяется для циркуляции жидкостей и летучих газов в системах отопления и охлаждения, таких как тепловые насосы, водонагреватели, котлы и печи. Термосифонная циркуляция также возникает при градиентах температуры воздуха, например, в дымоходе для дровяной печи или солнечном дымоходе. Эта циркуляция может быть реализована как в открытом контуре, когда вещество из накопительного резервуара перемещается в одном направлении через нагреваемый теплообменник, расположенный в нижней части резервуара, к точке распределения – даже если она находится выше исходного резервуара, – так и в вертикальном замкнутом контуре с возвратом в исходный резервуар. Его назначение – упростить передачу жидкости или газа, избежав затрат и сложности, связанных с использованием обычного насоса.
Простой термосифон
Естественная конвекция жидкости начинается, когда передача тепла жидкости вызывает разницу температур между одной и другой сторонами контура. Феномен теплового расширения означает, что разнице температур соответствует разница в плотности по всему контуру. Более теплая жидкость с одной стороны контура менее плотная и, следовательно, более легкая, чем более холодная жидкость с другой стороны. Более теплая жидкость будет подниматься вверх, а более холодная – опускаться вниз. Это явление естественной конвекции часто описывают фразой "тепло поднимается". Конвекция перемещает нагретую жидкость вверх по системе, одновременно заменяя ее более холодной жидкостью, возвращающейся под действием силы тяжести. Эффективный термосифон обладает минимальным гидравлическим сопротивлением, что обеспечивает легкий поток жидкости под относительно низким давлением, создаваемым естественной конвекцией.
Тепловые трубы
В некоторых ситуациях поток жидкости может быть еще больше уменьшен или полностью остановлен, например, из-за неполного заполнения петли жидкостью. В этом случае система перестает конвектировать, и это уже не типичный "термосифон". Тепло в этой системе все еще может передаваться за счет испарения и конденсации пара, однако корректно классифицировать такую систему как теплотрубный термосифон. Если система содержит другие жидкости, например, воздух, то плотность теплового потока будет ниже, чем в настоящей тепловой трубе, содержащей только одно вещество. Термосифон иногда ошибочно описывают как "тепловую трубу с гравитационным возвратом". Тепловые трубы обычно оснащены фитилем для возврата конденсата в испаритель посредством капиллярного действия. В термосифоне фитиль не требуется, поскольку жидкость движется под действием силы тяжести. Фитиль позволяет тепловым трубам передавать тепло в условиях невесомости, что важно для космических применений. Термосифон "проще" тепловой трубы. (Однофазные) термосифоны могут передавать тепло только "вверх" или в направлении, противоположном вектору ускорения. Таким образом, ориентация для термосифонов гораздо важнее, чем для тепловых труб. Кроме того, термосифоны могут выйти из строя из-за воздушной пробки в петле и требуют замкнутого контура труб для циркуляции.
Ребойлеры и каландра
Если трубопровод термосифона оказывает сопротивление потоку или к нему прикладывается избыточное тепло, жидкость может закипеть. Поскольку газ легче жидкости, конвективное давление возрастает. Это хорошо известное устройство, называемое ребойлером. Группа ребойлеров, подключенных к паре коллекторов, называется каландрией. В некоторых случаях, например, в системе охлаждения старого (до 1950-х годов) автомобиля, закипание жидкости приводит к прекращению работы системы, поскольку объем образовавшегося пара вытесняет слишком много воды и останавливает циркуляцию. Термин "термосифон с фазовым переходом" является некорректным и его следует избегать. Если в термосифоне происходит фазовый переход, это означает, что в системе либо недостаточно рабочей жидкости, либо она слишком мала для передачи всего тепла только посредством конвекции. Для повышения эффективности необходимо либо увеличить количество рабочей жидкости (возможно, в термосифоне большего размера), либо удалить из контура все остальные жидкости (включая воздух).
Солнечная энергия
Термосифоны используются в некоторых жидкостных солнечных системах отопления для нагрева жидкости, например, воды. Вода нагревается пассивно за счет солнечной энергии, которая передается от солнца к солнечному коллектору. Тепло от коллектора может передаваться воде двумя способами: напрямую, когда вода циркулирует непосредственно через коллектор, или косвенно, когда теплоноситель (антифриз) отводит тепло от коллектора и передает его воде в накопительном баке через теплообменник. Конвекция обеспечивает движение нагретой жидкости из солнечного коллектора и ее замену более холодной, которая, в свою очередь, нагревается. В силу этого принципа, накопительный бак с водой должен располагаться выше коллектора.
Архитектура
В районах, исторически характеризующихся условиями вечной мерзлоты, термосифоны могут применяться для компенсации негативного воздействия геологических процессов на фундаменты зданий, трубопроводов и других сооружений, вызванного оттаиванием вечной мерзлоты. Исследование, опубликованное в 2006 году компанией ConocoPhillips, сообщает, что вечная мерзлота Аляски, на которой базируется значительная часть инфраструктуры штата, деградировала с 1982 года на фоне рекордно высоких температур. Согласно данным Аляскинского центра климатических исследований при Университете Аляски Фэрбенкс, в период с 1949 по 2018 год среднегодовая температура в Аляске повысилась на 4 градуса по Фаренгейту, а зимняя – на 7,2 градуса по Фаренгейту.
Вычислительные технологии
Термосифоны используются для водяного охлаждения внутренних компонентов компьютера, чаще всего процессора. Хотя в качестве рабочей жидкости можно использовать любую подходящую жидкость, вода является наиболее простой в использовании в термосифонных системах. В отличие от традиционных систем водяного охлаждения, термосифонные системы не используют насос, а полагаются на конвекцию для перемещения нагретой воды (которая может переходить в парообразное состояние) от компонентов вверх к теплообменнику. Там вода охлаждается и готова к повторной циркуляции. Наиболее распространенным теплообменником является радиатор, где вентиляторы активно продувают воздух через увеличенную площадь поверхности для конденсации пара в жидкость. Более плотная жидкость опускается вниз, обеспечивая циркуляцию по системе и повторение процесса. Насос не требуется. Цикл испарения и конденсации обусловлен разницей температур и силой тяжести.
Применение
Без надлежащего охлаждения современный процессор может быстро достигать температур, вызывающих его сбои. Даже при использовании обычного радиатора и вентилятора типичная рабочая температура процессора все равно может достигать 70 °C (160 °F). Термосифон способен эффективно отводить 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 термосифон может охватывать несколько источников тепла и, с точки зрения конструкции, быть более компактным, чем радиатор и вентилятор соответствующего размера.
Недостатки
Термосифоны должны быть установлены таким образом, чтобы пар поднимался вверх, а жидкость стекала вниз к испарителю, без изгибов в трубопроводе, где может скапливаться жидкость. Кроме того, вентилятор термосифона, охлаждающий газ, требует подачи холодного воздуха для работы. Система должна быть абсолютно герметичной, иначе эффект термосифона не проявится, и вода будет испаряться лишь в течение короткого времени.
Охлаждение двигателя
Некоторые ранние автомобили, моторизованные транспортные средства, а также сельскохозяйственная и промышленная техника с двигателями внутреннего сгорания использовали термосифонную циркуляцию для перемещения охлаждающей жидкости между блоком цилиндров и радиатором. Этот метод циркуляции воды зависит от поддержания достаточного потока холодного воздуха через радиатор для обеспечения необходимой разницы температур; этот поток создавался движением транспортного средства и использованием вентиляторов. С увеличением мощности двигателей требовался больший поток воды, поэтому для усиления циркуляции стали добавлять насосы, приводимые в действие двигателем. Более компактные двигатели начали использовать радиаторы меньшего размера и требовали более сложной схемы потока, в результате чего циркуляция воды полностью зависела от насоса и могла даже происходить против естественного направления. Двигатель, использующий для циркуляции охлаждающей жидкости только термосифон, склонен к перегреву при длительной работе на холостом ходу или на очень низкой скорости, поскольку отсутствие движения вперед приводит к недостаточному потоку воздуха через радиатор, если один или несколько вентиляторов не могут обеспечить достаточную циркуляцию воздуха самостоятельно. Термосифонные системы также очень чувствительны к низкому уровню охлаждающей жидкости – даже небольшая потеря жидкости может остановить циркуляцию; система с принудительной циркуляцией, обеспечиваемой насосом, гораздо более надежна и обычно может работать с более низким уровнем охлаждающей жидкости.
Машины для эспрессо
Многие конструкции эспрессо-машин используют термосифон для поддержания стабильной температуры. Эспрессо-машина E 61 оснащена групповой головкой с термосифоном. Такая групповая головка широко распространена во многих современных эспрессо-машинах. Некоторые рычажные эспрессо-машины имеют двойную стенку вокруг поршня в группе, которая используется для организации термосифонной циркуляции. Примером современных машин могут служить модели от Londinium.