Термосифон принцип работы: Принцип работы термосифонной системы отопления

Замораживание и термостабилизация грунтов в криолитозоне

И.П. Рило ([email protected])

К.А. Желудкова

Д.А. Клещин

В работе рассмотрено влияние внешних и внутренних устройств разрабатываемых модификаций новых термостабилизаторов на процессы теплопереноса в двухфазных системах с целью увеличения их эффективности. На основе полученных результатов исследовано влияние стратификации температуры в объеме и геометрии на характеристики теплопередачи. Установлено влияние применяемого хладагента (аммиака и углекислоты) и материала стенок внутреннего устройства на величину градиента и распределение температуры по длине термостабилизатора. Разработанная технология термостабилизации грунтов позволяет существенно увеличить интенсивность теплообменных  процессов  и значительно снизить температуры при глубинном замораживании  грунтов до 100 м и более (минус 5,3 °C на глубине 50 м при температуре воздуха минус 17 °C для хладагента аммиака).

Проблема поддержания отрицательной температуры мерзлых пород для обеспечения надежности геотехнических систем в криолитозоне (шельфе), является актуальной для отраслей промышленности и жилищнокоммунального хозяйства. Одним из направлений решения проблемы являются использование работы гравитационных сил и  криогенного ресурса на основе гладкостенных термостабилизаторов, разработки современных инженерных решений и технологии строительства на вечномерзлых грунтах. 

Для  современного строительства в северных условиях необходима унификация методов строительства и упрощение эксплуатации сооружений. Причем, при массовом строительстве предусматривают сохранение мерзлотногеологических условий и изменение этих условий. Такая задача разрешима, поскольку основные инженерные свойства грунтов определяются их температурой. НПО Фундаментстройаркос (ФСА) унифици- рует конструктивно-технологические решения  северного  строительства в значительной мере за счет усовершенствования способов и средств, обеспечивающих поддержание заданного температурного режима грунтов в основании сооружений, применяя термостабилизаторы (ТС) грунтов термосифонного типа нового поколения, в которых циркуляция аммиака и углекислоты осуществляется под действием силы тяжести и тепловой энергии грунта. При этом используется естественный холод низкие отрицательные температуры атмосферного воздуха в зимнее время с учетом скорости ветра, обдувающего оребрение конденсатора. Использование и применение разработанных средств и способов способствует сохранению и снижению естественной температуры вечномерзлых грунтов.

Каждый термосифон представляет собою циркуляционный контур, в котором движение хладагента обусловлено теплообменом в поле земного тяготения. Циркуляционный контур термосифона состоит из трех частей — испарителя, транзитного участка и конденсатора, в которых происходит теплообмен с внешней средой. Термостабилизаторы подразделяют на несколько типов. К первому, наиболее простому, относится термосифон испарительного типа, представляющий собой вертикальную трубу, в которой содержится насыщенный пар хладагента и жидкость (аммиак, углекислота). Верхний конец трубы со спиралевидно навитым под напряжением ленты оребрением из алюминия холоднее, поскольку охлаждается и обдувается зимой морозным воздухом. Нижний конец (испаритель) размещен в грунте  с более высокой по сравнению с воздухом температурой. В результате возникает циркуляция хладагента: в верхней части трубы насыщенный пар конденсируется на  внутренних стенках, пленка конденсата под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть термосифона (испаритель), а пар за счет падения давления в зоне конденсации перемещается вверх по контуру циркуляции.

ТС удовлетворяют требованиям перспективности (по геометрическим, энергетическим, экономическим показателям, герметичности, жесткости, материалоемкости, транспортабельности и защищенности от вредных механических, химических и других воздействий) и энергосбережения. Применение ТС разных модификаций в качестве базовых элементов позволяет передавать потоки на значительные расстояния при малых температурных напорах (низких термических сопротивлениях). Широта температурного диапазона теплоно- сителей, практическая неограничен- ность разнообразных конструктивных форм   и  размеров  определяют гиб- кость  проектирования и технологии. Перспективные показатели в определенной степени «компенсируются» сложностью расчета, проектирования, технологии подготовки, изготовления, испытаний непосредственно ТС и сложностью теплового и гидравлического взаимодействия их с другими элементами (конденсаторным блоком, контуром циркуляции).

Разрабатываемые конструкции ТС различных типоразмеров и конфигураций, обладают уникальной совокупностью эксплуатационных свойств. Различные конструкции ТС разрабатываются с повышенным ресурсом работы не менее 30 лет. В процессе их производства используются алюминий АД-31 и трубы, в основном малого диаметра (33,7 мм), позволяющие конструировать протяженные теплообменные поверхности с определенной по техническому заданию максимальной тепловой мощностью (до 10—15 кВт). К используемым материалам и теплоносителям в ТС выдвигаются особые жесткие требования.

Для термостабилизации грунтов и в зависимости от заполняющего хладагента ТС используются в диапазоне от минус 60 °C до 0 °C. ТС надежны при эксплуатации при обеспечении требований совместимости материалов стенок корпуса и теплоносителей они могут функционировать неограниченно долго без существенного ухудшения своих теплофизических характеристик. В них отсутствуют движущиеся и трущиеся части. Это обеспечивает бесшумность, высокую надежность и длительный ресурс   при работе в условиях изменений внутренних и внешних тепловых, а также механических воздействий. ТС обладают достаточной механической прочностью,  относительно малой массой, автономностью. Благодаря механизму термосифона ТС во многих случаях не требуют дополнительной энергии для перекачки теплоносителей. Они отличаются высокой эффективной теплопроводностью и изотермичностью, работают в условиях гравитации. ТС позволяют рассеивать или концентрировать (трансформировать) тепловые потоки большой плотности, разделять и разветвлять в пространстве источники и стоки теплоты. 

Широкое  распространение на вечной мерзлоте получили глубинные трубчатые сезонно-охлаждающие устройства (СОУ) с подземной частью до 100 м и более: для замораживания и температурной стабилизации грунтов плотин и устьев скважин (рисунки 1, 2).

\

Рис 1. Плотина на р. Ирелях (г. Мирный). Одиночные СОУ производства ФСА

Рис 2. Образцы СОУ на испытательном полигоне термостабилизаторов ФСА: а — СОУ-50; б — СОУ-100

На рисунке 3 показана схема стенда модернизированного промышленного образца термостабилизатора СОУ-50 (термосифона), установленного на испытательном полигоне термостабилизаторов для исследования глубинного замораживания и термостабилизации грунтов на глубине до 50 м с расположением датчиков температуры t1 — t13 по высоте испарителя с регистрирующим вторичным прибором (13).

Рис.3. Принципиальная схема термостабилизатора СОУ-50

Суть модернизации заключается в организации раздельных потоков жидкой и паровой фаз хладагента в замкнутом пространстве термосифона 1, из которого предварительно удаляли воздух до глубокого вакуума и заполняли через вентиль 2 жидким аммиаком либо углекислым газом до уровня ниже уровня грунта примерно на 4 м. Под воздействием тепла грунта 3 хладагент испаряется в межкольцевом пространстве 4, образованном коаксиально установленными разного диаметра стальной 5 и внутренней полиэтиленовой 6 трубами. Образующаяся парожидкостная смесь хладагента в гравитационном поле по причине более низкой ее плотности по  сравнению с плотностью жидкого хладагента, стекающего из конденсатора 7 (8 шт.) по внутренней трубе 6, устремляется вверх в конденсатор, проходя через интенсификатор, который состоит из специально сконструированной, разделяющей пространства испарителя и конденсатора доски 8 с установленными на ней патрубками 9 со сквозными проходящими отверстиями 10. В интенсификаторе происходит разделение парожидкостной смеси, содержащей капли жидкого хладагента. Основная стадия сепарации смеси  происходит на границе между жидкой и паровой фазами в межкольцевом пространстве испарителя, чему способствует граница  перехода, в узком смысле скачкообразное изменение физических свойств, при непрерывном изменении давления и температуры по высоте испарителя. Отсепарированный конденсат направляется вниз в испаритель по внутренней трубе вместе с жидким хладагентом, вытекающим из конденсатора. Стекающий во внутреннюю трубу конденсат через отверстия 11 попадает в межкольцевое пространство, где вновь происходит его испарение за счет подвода тепла грунта. Цикл  замыкается. При циркуляции хладагента по контуру: межкольцевое пространство (испаритель) — интенсификатор — конденсатор — внутренняя труба  (испаритель) — межкольцевое пространство (испаритель), происходит теплообмен между хладагентом (аммиаком) в межкольцевом пространстве и теплоносителем (30%-ым раствором хлористого кальция) в гильзе 12 через стенку испарителя.

В процессе работы испаритель заполнен хладагентом, при этом образуется жидкостной гидростатический гидрозатвор во внутренней трубе, который компенсирует потери давления при циркуляции хладагента по контуру, исключает встречное движение паровой и жидкой среды рабочего вещества, что благоприятно для гидродинамики потоков. Благодаря данному принципу работы устройство обладает такими достоинствами как возможность конструктивного исполнения с большой длиной зоны теплоотдачи (несколько десятков метров), высокая теплопередающая способность (до 10 кВт), возможность разнообразного конструктивного сполнения, в том числе в виде изогнутых, гибких либо сборных элементов.

В литературных источниках материал по исследованию пародинамических термосифонов отсутствует, а имеющиеся данные только частично описывают их работу. В [1] приводятся примеры применения пародинамических термосифонов в замораживающей технике грунтов. В [2] представлены расчеты по эффективности работы пародинамического термосифона. Достаточно информации по классическим термосифонам [3], но не определены параметры их работы. 

Для термосифонов с организованными циркуляциями теплоносителя в гильзе и хладагента в термосифоне характерной особенностью системы является наличие свободноконвективного контура. Но в случае наличия внешних и внутренних устройств в термостабилизаторе, обуславливающих раздельные каналы для восходящего и нисходящего потоков хладагента, наблюдаются иные эффекты, проявляющиеся в характерном изменении температурного поля по глубине погружения испарителя в грунт. При этом большое значение имеют зазоры между теплообменными стенками в области испарителя. Известно, что процессы переноса в испарительном циркуляционном контуре зависят от конструктивного оформления контура, условий подвода теплоты и осложнены возникновением контурной неустойчивости при увеличении тепловых потоков [3].

Экспериментальные исследования проведены при разных хладагентах (аммиак и углекислота), температурах воздуха и массах заправки хладагента. На основе полученных результатов исследовано влияние стратификации температуры в объеме и геометрии термосифона на характеристики протекающих процессов теплообмена. Результаты исследований приведены на рисунках 4, 5, 6 и в таблицах 1 и 2.

Рис.4.  Зависимость t -h от температуры воздуха, природы хладагента и наличия внутреннего устройства термостабилизатора

Рис.5.  Сравнение температуры испарителей при температуре воздуха минус 9°C

Рис.6.  Сравнение температуры испарителей при температуре воздуха минус 6°C

Температура испарителя

Таблица 1

Градиенты температур испарителя в интервале от 15-45 м

Таблица 2

Сравнение температурного хода кривых в координатах t — h (температура теплоносителя — глубина погружения ТС в грунт) обнаруживает их различие при работе СОУ-50 с применением интенсификатора и без него. Применение интенсификатора обеспечивает снижение температуры теплоносителя (30 %-ного  раствора хлористого кальция) в гильзе по мере погружения испарителя в грунт  (рисунок 3). К примеру, на глубине около 50 м при температуре воздуха минус 17 °C температура теплоносителя составляет минус 5,3 °C. Этот эффект имеет ярко выраженный характер и наблюдается только в случае применения в качестве хладагента аммиака (кривые 5, 6) на глубине в интервале 15—45 м. На этом же участке наблюдаются отрицательные значения градиентов температуры минус 0,03 и 0,006 при степени заполнения термостабилизатора аммиаком, равным 0,54 и 0,57, соответственно (таблица 2, опыты 5 и 6). С увеличением степени заполнения возрастает градиент температуры по абсолютной величине. 

Сравнение хода кривых 3, 4 и 1, 2, соответственно, при испытаниях СОУ-50 с интенсификатором и без него, заполненного углекислым газом (степень заполнения равна 0,43—0,45), показывает, что различий в ходе кривых не наблюдается. 

Температурные градиенты для процессов (опытов) термостабилизации с применением в качестве хладагента углекислого газа составляют значения grad t = 0,089—0,038 (таблица 2), соответствующего повышению температуры по мере углубления в грунт до значения минус 1,4°C и 1,6°C при температуре воздуха минус 14°C для процессов 1 и 3, соответственно (таблица  1).

Различие в величинах градиентов температур для процессов термостабилизации грунтов, протекающих с участием аммиака и углекислого газа, обнаруживает эффект разных механизмов их протекания, обусловленных теплофизическими свойствами хладагентов, к основным из которых относится теплота парообразования, соответственно 1260 кДж/кг и 231 кДж/кг при 0°C. Естественно, что в последнем случае на единицу тепловой мощности термостабилизатора количество испаряющегося хладагента в 5,5 раза приходится больше. С учетом стесненных условий геометрии гидродинамического пространства во вновь созданной модификации СОУ по сравнению с предыдущей его модификацией различие теплофизических свойств проявилось в различных механизмах протекания теплообменных процессов.

На рисунках 5 и 6 сопоставлены температурные кривые в зависимости от глубины погружения испарителей в грунт для СОУ-50 и СОУ-100. На глубине 45 м преимущества работы СОУ-50 по сравнению с СОУ-100 очевидны, поскольку температура испарителя в первом случае равна минус 3,9°C, а во втором 2,4°C при температуре окружающего воздуха минус 9°C (рисунок 5). Тенденция сохраняется и при температуре окружающего воздуха минус 6°C с соответствующими значениями температур минус 1,3°C и 0,8°C (рисунок 6).

При проведении исследований особый интерес представлял процесс течения хладагента по локально организованным полостям, ограниченным стенками внутреннего устройства (полиэтиленовой трубы) и термостабилизатора, обусловленный гидростатической подъемной силой, которая возникает под действием разности плотностей по причине неоднородности температуры и гравитационного поля. Характерное отличие состоит в том, что заранее малоизвестно о результирующем течении, возникающем под действием гидростатической подъемной силы. Поля течения и температуры в гильзе и испарителе тесно связаны друг с другом, и их необходимо рассматривать совместно, а сами течения являются сравнительно слабыми. Это значит, что скорости достаточно малые, а инерционные и вязкие эффекты обычно величины одного и того же порядка [4].

Существует много разных видов течений, вызванных гидростатической подъемной силой, что обусловлено как отдельными эффектами, так и их комбинациями, а также разнообразием геометрических конфигураций. Почти все такие явления имеют общие черты, и они сильно отличаются от процессов переноса, обусловленных обычными видами приложения силы. 

На основе проведенных исследований получено более понятное и точное представление о характере гидродинамики и теплообмена в термостабилизаторе при разных условиях проведения процесса. Исследованиями интенсифицированных парожидкостных процессов в термосифонах с применением внутренних и внешних устройств с разными характерами гидродинамики и теплообменами выявлены зоны режимных параметров — плотность теплового потока, изотермические участки — в которых существенное влияние на течение пленки конденсата и теплообмен имеет поперечный поток массы и унос жидкости с паром. Замерено поле температур в вертикальном направлении теплообменной поверхности испарителя для модифицированного и классического вариантов исполнения термостабилизаторов. Внедрение в эксплуатацию СОУ с применением хладагента аммиака позволит достигнуть более низких температур замораживания и термостабилизации грунтов на больших глубинах в криолитозоне. 

В процессе освоения континентального шельфа северных морей в целях обеспечения глобальной энергетической безопасности развития российской нефтегазовой индустрии перспективы вовлечения в разработку современных локализованных термостабилизирующих систем ФСА с учетом природно-климатических условий и глубины акваторий целесообразны для замораживания и термостабилизации донных грунтов шельфа, служащих  основаниями для многих объектов и сооружений нефтегазовой отрасли при освоении месторождений континентального шельфа Арктики. Применение термостабилизаторов ФСА можно рассматривать как один из способов закрепления на грунте инженерных сооружений (гидротехнических и искусственных) в условиях вечной мерзлоты на Арктическом шельфе и на прибрежных территориях, объединяемых технологическими процессами в общий морской нефтегазовый комплекс. 

В этой связи целесообразно использовать результаты многолетних исследований ФСА, разработки и внедрения в эксплуатацию четырех основных видов сезонно-действующих охлаждающих устройств: горизонтальные и вертикальные естественно-действующие трубчатые системы (соответственно, ГЕТ и BET), индивидуальные термостабилизаторы и глубинные СОУ, которые нашли применение на всех нефтегазовых объектах страны, расположенных в северных широтах. Они внедрены на месторождениях более 350 нефтегазовых  объектов  ведущих компаний  России ОАО «Газпром» (Уренгой, Надым, Ямбург, Югорск, полуостров Ямал), ОАО «НК «ЛУКОЙЛ» и ОАО «НК «Роснефть», ОАО «АК «Транснефть», на алмазодобывающем предприятии «АК «Алроса», золотодобывающем предприятии ОАО «Полиметалл», в городских администрациях таких северных городов как, например, Новый  Уренгой, Салехард, Надым, Лабытнанги, Мирный. На протяжении двух десятков лет компания смонтировала 2 350 систем ГЕТ и BET, 208 690 индивидуальных термостабилизаторов и глубинных СОУ. 

Экономическая эффективность применения систем температурной стабилизации грунтов составляет от 20 % до 50 % стоимости нулевого цикла по сравнению с использованием проветриваемых подполий, что обусловлено совершенством технологии, объемами выпускаемой продукции, КПД и мощностью единичных систем термостабилизации, достижением необходимого низкотемпературного поля в грунте. За счет инновационных технических решений ФСА поддерживается в мерзлом состоянии в общей сложности 28 миллионов кубометров грунта на площади 2,8 миллиона квадратных метров, охватывая пространство от Нарьян-Мара до Чукотки с учетом изменении энергетического баланса грунтовой поверхности.

1. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. Новосибирск: Наука, 1985.

2. Статистическое моделирование работы системы ГЕТ, установленной в основании нефтяного резервуара /Г.М. Долгих и др.// Криосфера Земли. 2015. Т. XIХ. № 1. С.70—77.

3. Безродный М.К. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика /М.К. Безродный, И.Л. Пиоро, Т.О. Костюк. 2-е изд., доп. и перераб. Киев: Факт, 2005. 704с.: илл.

4. Рило И.П. Влияние внутренних устройств термостабилизатора на процессы теплопереноса в двухфазных системах /И. П.Рило, К. А.Желудкова, Д. А.Клещин// Арктика, Субарктика: мозаичность, контрастность, вариативность криосферы. Труды международной конференции /под ред. В.П. Мельникова и Д.С. Дроздова. Тюмень: Изд-во Эпоха, 2015. 472 с.

Опубликовано: Журнал «Трубопроводный транспорт [теория и практика]» № 4(50) 2015, 22с.

Thermosiphon — Appropedia: Theustainability wiki

Термосифонирование , также известное как термосифонирование , считается подходящей технологией. В этом процессе используются природные возобновляемые ресурсы и основные законы термодинамики для создания движения нагретого источника воздуха или воды. Источником энергии для этого процесса является солнечное излучение (или любой другой источник тепла): энергия солнца улавливается устройством для сбора солнечной энергии и передается воздуху или воде посредством теплопроводности.Весь процесс можно объяснить эффектом термосифонирования: когда воздух или вода нагреваются, они получают кинетическую энергию от источника нагрева и возбуждаются. В результате вода становится менее плотной, расширяется и, следовательно, поднимается вверх. Напротив, когда вода или воздух охлаждают, энергия извлекается из молекул, и вода становится менее активной, более плотной и имеет тенденцию «тонуть». Термосифонирование использует естественную разницу плотностей между холодными и горячими жидкостями и контролирует их в системе, которая производит естественное движение жидкости.В настоящее время доступно несколько систем, основанных на этой технологии, о которых можно прочитать более подробно в следующем тексте.

Принцип термосифонной системы заключается в том, что холодная вода имеет более высокий удельный вес (плотность), чем теплая вода, поэтому, будучи более тяжелой, она будет опускаться вниз. Поэтому коллектор всегда монтируется под резервуаром для хранения воды, так что холодная вода из резервуара попадает в коллектор по нисходящей водяной трубе. Если коллектор нагревает воду, вода снова поднимается и достигает резервуара по восходящей водяной трубе в верхнем конце коллектора.Цикл бак -> водопровод -> коллектор обеспечивает нагрев воды до достижения равновесной температуры. Затем потребитель может использовать горячую воду из верхней части бака, при этом любая использованная вода заменяется холодной водой из нижней части. Затем коллектор снова нагревает холодную воду. Из-за более высокой разницы температур при более высокой солнечной освещенности теплая вода поднимается быстрее, чем при более низкой освещенности. Таким образом, циркуляция воды почти идеально адаптируется к уровню солнечного излучения.Бак для хранения термосифонной системы должен быть расположен значительно выше коллектора, иначе цикл может пойти в обратном направлении в течение ночи, и вся вода остынет. Кроме того, цикл не работает должным образом при очень небольших перепадах высоты. В регионах с высокой солнечной радиацией и плоской крышей резервуары для хранения обычно устанавливаются на крыше.

Системы Thermosyphon работают очень экономично, как системы водяного отопления для бытовых нужд, и принцип прост, не требует ни насоса, ни регулятора.Однако термосифонные системы обычно не подходят для больших систем, то есть систем с площадью коллектора более 10 м². Кроме того, в зданиях с покатой крышей сложно разместить резервуар над коллектором, а одноконтурные термосифонные системы подходят только для незамерзающих регионов.

Термодинамика — это изучение энергии.

• Первый закон термодинамики — гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.- Энергия всегда сохраняется.

Этот закон может быть применен к движению воды в системе термосифонирования: энергия от солнца направляется и передается (посредством теплопроводности и конвекции) либо воде, либо воздуху, либо другой среде по выбору. Этот естественный процесс нагрева устраняет необходимость во внешних источниках энергии, таких как ископаемое топливо или электричество.

• Второй закон термодинамики — гласит, что при любом обмене энергией, если энергия не входит и не выходит из системы, потенциальная энергия состояния всегда будет меньше, чем у исходного состояния.- Чистая отдача системы всегда меньше, чем та, которая была изначально введена.

Энергия всегда сохраняется, однако энергия (или тепло в данном случае) может часто теряться в данной системе (термосифонирование) в виде тепла . Добавление изоляции с соответствующими значениями R к системе и ее водопроводу может значительно снизить теплопотери и, таким образом, повысить эффективность.

• Закон Планка — длина волны излучения, испускаемого поверхностью, пропорциональна температуре поверхности

Энергия, передаваемая в результате разницы температур между двумя объектами — Темные объекты поглощают тепло, а светлые объекты отражают

Темные коллекторные пластины внутри солнечного коллектора будут способствовать увеличению поглощения солнечной энергии, тем самым увеличивая количество тепла, доступного для нагрева воды или воздуха при термосифонировании.Напротив, следует использовать светоотражающие или слегка окрашенные трубопроводы и резервуары для хранения, поскольку светлые цвета помогут уменьшить тепловое излучение из системы.

Пассивный [править | править источник]

Пассивное термосифонирование воды — это процесс нагрева и перемещения воды в системе без использования электричества. Этот процесс функционирует за счет использования природных явлений, таких как солнечная энергия, сила тяжести и доступный источник воды. Солнечный коллектор, трубопровод и резервуар для воды — материалы, необходимые для процесса отопления.Поток воды распределяется в солнечный коллектор, внутри и из него. Холодная вода поступает в нижнюю часть солнечного коллектора, где она нагревается за счет конвекции солнечным излучением. Когда вода нагревается, она становится менее плотной, чем более холодная вода, расширяется, а затем поднимается ( течет ) по трубопроводу. Нагретая вода естественным образом выходит через верхнюю часть солнечного коллектора. Более холодная и плотная вода опускается вниз и остается внутри солнечного коллектора, пока не нагреется. Когда холодная вода нагревается, она расширяется, поднимается, выталкивается из верхней части солнечного коллектора, позволяя холодной воде течь в солнечный коллектор.Этот процесс продолжается естественным образом до тех пор, пока температура воды не достигнет равновесия с поступлением солнечного излучения.

В настоящее время доступны два типа термосифонных систем водообмена: моноблочная система и система гравитационной подачи.

Моноблочная система [править | править источник]

Моноблочные системы работают на тех же принципах пассивного термосифонирования, о которых говорилось выше. Накопительный бак этих систем должен быть размещен над солнечным коллектором, чтобы использовать циркуляцию воды, приводимую в действие пассивным термосифонным процессом.

Материалы [править | править источник]

• Солнечная энергия
• Солнечный коллектор
• Трубопровод
• Изоляция
• Вода
• Резервуар для хранения
• Прочная крыша или другая поддерживающая система

Стоимость [править | править источник]

• Текущее исследование (2007) предполагает, что стоимость пассивных термосифонных водонагревателей может составлять от 500 до 6500 долларов. Цены могут варьироваться в зависимости от размера резервуара, солнечного света и географического положения.
• Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.

Плюсы и минусы [править | править источник]

Профи

• Не загрязняет окружающую среду
• Энергосбережение — Для пассивного термосифонирования не требуется электричество
• Рентабельность
• Экономия места — (т.е.в помещении)

Con’s

• Воздействие на резервуар внешних условий окружающей среды может снизить эффективность в зависимости от географического положения
• Эстетика — Может показаться неприятным визуально
• Требуется прочная опорная конструкция (т. Е. Крыша)
• Не подходит для очень холодного климата
• Расположение — должно быть расположено в зоне с подходящим солнечным освещением (т.е. южная сторона желаемой области)

Система гравитационной подачи [править | править источник]

используются те же принципы пассивного термосифонирования, что и в моноблочных системах, однако размещение резервуара отличается. Баки устанавливаются горизонтально в крышу, которая часто находится прямо над солнечным коллектором. При необходимости нагретая вода в резервуаре для хранения выбирает путь наименьшего сопротивления и движется под действием силы тяжести вниз в желаемое место.Системы самотечной подачи требуют большего количества трубопроводов / водопровода для распределения нагретой воды, и этот фактор следует учитывать при установке или покупке системы термосифонирования.

Материалы [править | править источник]

• Солнечная энергия
• Солнечный коллектор
• Трубопровод
• Изоляция
• Вода
• Резервуар для хранения
• Прочная крыша или другая поддерживающая система

Стоимость [править | править источник]

• Системы с гравитационной подачей, как правило, являются наименее дорогими пассивными водонагревателями с термосифонированием
• Текущее исследование (2007) предполагает, что стоимость может варьироваться от 400 до 5 500 долларов (не включая стоимость установки, если применимо) .Цены могут варьироваться в зависимости от размера резервуара, солнечного света и географического положения.
• Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.

Плюсы и минусы [править | править источник]

Плюсы

• Не загрязняет окружающую среду
• Энергосбережение — Для пассивного термосифонирования не требуется электричество
• Рентабельность
• Экономия места — (т.е. внутри помещения)
• Эстетика — (Горизонтальное размещение резервуара)

Минусы

• Сантехника и трубопроводы увеличивают стоимость системы
• Эстетика — Может показаться неприятным визуально
• Требуется сильная опорная конструкция (i.е. крыша)
• Не подходит для очень холодного климата
• Местоположение — должно быть расположено в области с подходящей солнечной экспозицией. (т.е. южная сторона желаемой области)

Активно [редактировать | править источник]

Также известна как: насосные системы или сплит-системы

Активные солнечные системы отопления функционируют на той же основе, что и термосифонный эффект, однако активные системы используют источник энергии, отличный от солнечной энергии, чтобы способствовать процессу.Эта система устанавливает только солнечный коллектор на крыше, в то время как резервуар для хранения устанавливается на земле или в другом месте внизу. Эти активные водонагревательные агрегаты требуют некоторой внешней энергии для перекачивания воды по всей системе. За счет использования дополнительной энергии эти активные системы менее рентабельны, чем пассивные.

Материалы [править | править источник]

• Солнечная энергия
• Солнечный коллектор
• Электроэнергия
• Электронасос
• Дополнительный трубопровод
• Изоляция
• Вода
• Резервуар для хранения

Стоимость [редактировать | править источник]

• Текущие исследования показывают, что (2007) активные термосифонные водонагреватели могут стоить от 1 200 до 10 500 долларов.Цены могут варьироваться в зависимости от размера резервуара, требований к внутренним трубопроводам, солнечного воздействия и географического положения.
• Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.

Плюсы и минусы [править | править источник]

Профи

• Экономия денег
• Рентабельность
• Эстетика — Накопительный бак не на крыше
• Снижение выбросов парниковых газов — При правильной изоляции он может загрязнять так же мало, как и пассивные системы.

Con’s

• Использует больше энергии, чем пассивная система
• Требует большего обслуживания, чем пассивная система
• Потери тепла — при переходе от солнечного коллектора к накопительному резервуару ниже
• Некоторое количество загрязняющих веществ — от использования электричества
• Местоположение — должно быть расположено в области с подходящей солнечной экспозицией. (т.е. южная сторона желаемой области)

Пассивный воздухообмен [править | править источник]

Примером метода пассивной солнечной тепловой системы отопления является Thermosiphon Heat Exchange .Он основан на принципе естественной конвекции, при которой воздух или вода циркулируют по вертикальному замкнутому контуру без использования насоса. Холодный воздух в помещении проходит через вентиляционное отверстие и направляется в отверстие нижней части солнечного коллектора. Затем воздух, содержащийся в солнечном коллекторе, нагревается солнцем за счет солнечного излучения. Холодный воздух плотный и опускается, а теплый воздух менее плотный и поднимается. По мере того, как воздух внутри солнечного коллектора нагревается, он становится менее плотным, чем более холодный воздух, и поднимается вверх.Теплый воздух поднимается из вентиляционного отверстия в верхнем отверстии солнечного коллектора, перемещается в желаемую область (т. Е. В помещении) и заменяется более холодным воздухом. Этот процесс воздухообмена будет продолжаться до тех пор, пока температура воздуха в помещении не достигнет равновесия с температурой снаружи.

Материалы [править | править источник]

Помните: Чем больше солнечный коллектор, тем лучше.

Солнечный коллектор

Рама

• 6 вертикальных плат размером 2 на 6 дюймов — серванты
• 2х6 и 2х8 досок — верхний порог
Шурупы
• — рекомендуется, но не обязательно для приспособления

Глазурь

• гофрированные панели из поликарбоната
• 10 панелей — 26 дюймов в ширину и 8 футов в высоту
• Пары панелей, перекрывающих вертикальную деревянную полосу размером 1 на 1 дюйм — получается панели шириной 4 фута для каждого пролета
• Покрытие, устойчивое к ультрафиолету — нанесите на солнечную сторону для продления срока службы

Солнечная абсорбционная пластина

• Двухслойный черный металлический оконный экран — прикреплен к верхней и нижней части отсеков

Вентиляционные отверстия

• отверстия в обшивке здания

Примечание: — пластиковые заслонки предотвращают обратный поток воздуха через верхние вентиляционные отверстия в ночное время

Стоимость [править | править источник]

• Текущее исследование (2007) предполагает, что пассивные теплообменники могут стоить от 55 долларов.00 до 400 долларов. Цены могут варьироваться в зависимости от размера коллектора / коллекторов, изоляции обогреваемой территории, солнечного воздействия и географического положения.
• Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.

Плюсы и минусы [править | править источник]

Профи

• Низкая стоимость
• Энергосбережение
• Снижение загрязнения
• Может использоваться для охлаждения электроники

Con’s

• Повышенное обслуживание — (т.е.покрытие в периоды низкой солнечной радиации)
• Географическое положение может повлиять на эффективность
• Требуется ручное закрытие обратных заслонок в ночное время.
• Рассрочка на юг предпочтительна

• Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) Динамические карты, данные ГИС и инструменты анализа — солнечные карты (2007) Доступно: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
• Citarella, Джо. «Термосифоны — лучший подход к охлаждению процессора?» Оверклокеры. 5 августа 2005 г.http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
• Рейса, Гэри. «Постройте простой солнечный обогреватель» Новости Матери-Земли. Январь 2006 г. http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
• «Часть 2: Обзор приложений возобновляемой энергии». http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.uneptie.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
• Мирмов Н.И., Белякова И.Г. Тепловыделение при конденсации пара в термосифоне.»Journal of Engineering Physics 43 (3), pp.970-974, 1982.
• Конструкция и характеристики компактного термосифона. Анируддха, П., Йогендра, Дж., Бейтелмал, М., Патель, К., Венгер, Т. Вудрафф, Школа машиностроения. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf

Принцип работы Термосифона [4].

Контекст 1

… термосифон (гравитационная тепловая трубка) показан на рисунке 1. Внизу находится участок нагрева (испарения), в середине — адиабатический участок, а в верхней части — участок конденсации. Небольшое количество жидкости помещается в трубку, из которой затем откачивается воздух и трубка закрывается. Нижний конец трубы нагревается, в результате чего пар течет снизу в секцию конденсации, где он охлаждается и конденсируется в жидкость.Затем жидкость стекает вниз по стенке очень тонкой пленкой. Однако жидкие пробки могут образовываться при высокой подводимой температуре. Весь этот цикл повторяется в тепловой трубке снова и снова. Термосифон работает по механизму проводимости и конвекции. Тепло от источника тепла передается термосифонам посредством теплопроводности, и внутри термосифона происходит тепловая конвекция [1]. Поскольку скрытая теплота испарения велика, значительные количества тепла могут передаваться с очень небольшой разницей температур от конца к концу.Таким образом, конструкция также будет иметь высокую эффективную теплопроводность. Одним из ограничений основного термосифона является то, что для того, чтобы конденсат возвращался в область испарителя под действием силы тяжести, испарительная секция должна располагаться в самой нижней точке [2]. Количество тепла, которое может переноситься этими системами, обычно на несколько порядков больше, чем чистая теплопроводность через твердый металл [3]. Термосифону требуется только разница температур для передачи большого количества тепла, и он широко используется в различных областях промышленности, таких как химическая инженерия, теплотехника или управление температурным режимом Автор, ответственный за переписку: [email protected] системы с ограниченным пространством и другие системы рекуперации тепла. В тепловой трубе возникает двухфазный режим потока. Двухфазный режим — это простейший случай многофазного, что означает одновременное протекание нескольких фаз. В случае тепловой трубы это жидкостно-паровая фаза. Тема двухфазного потока становится все более важной в большом количестве инженерных систем, включая тепловые трубы, для их оптимальной конструкции и безопасной эксплуатации. Однако это никоим образом не ограничивается современной промышленной технологией и многофазными явлениями, которые требуют лучшего понимания.Двухфазные потоки подчиняются всем основным законам механики жидкости. Уравнения просто сложнее или многочисленнее, чем уравнения однофазных потоков. Методы анализа одномерных потоков делятся на несколько классов, которые можно удобно расположить в порядке возрастания сложности, в зависимости от количества информации, необходимой для описания потока. Возможно, первым шагом в решении этой проблемы режима потока в тепловой трубе является разделение ее на различные режимы, каждый из которых регулируется определенными доминирующими геометрическими или динамическими параметрами.Часть определения режима потока — это описание морфологического расположения компонентов или структуры потока. Пример сложности двухфазных потоков изображен на рисунке 2. На нем показана последовательность структур потоков, имеющих место в испарителе тепловой трубы по мере того, как все больше и больше жидкости превращается в пар. Сложность проблемы возникает в разных частях испарителя, что требует разных методов анализа, а также необходимо учитывать вопрос о том, как один режим развивается из другого [5].Многие из представленных схем течения и режима течения были составлены многочисленными авторами для данного устройства и конкретных компонентов. Например, Иноуэ [6] имеет дело с колебаниями температуры нагретой поверхности и структурой потока. С другой стороны Лю [4] указал толщину жидкой пленки в тепловой трубке. Течение внутри тепловой трубы более сложное, чем модель Нуссельта [7]. Это можно продемонстрировать, исследуя более реалистичное описание жидкой пленки в тепловой трубе, показанное на рисунке 3. Во-первых, существует температурный градиент T, т.е.е. T 2> T 1, термокапиллярная сила TT, выражаемая уравнением (2), возникает из-за поверхностного натяжения ׏ ı, таким образом увеличивая толщину пленки [8] Во-вторых, противоточный поток пара оказывает поперечное усилие T на поверхности пленки, где uv и ul — скорости пара и жидкости ms соответственно. Этот сдвиг может сдерживать нисходящее течение пленки, что приводит к получению более толстой пленки. Наконец, при определенных условиях на поверхности пленки обычно появляются волны, вызывающие флуктуации толщины, превышающие среднюю толщину į avg, которая может быть смоделирована синусоидой…

Работа термосифонной системы охлаждения в двигателе внутреннего сгорания

Вы когда-нибудь задумывались о том, как работает система охлаждения в двигателе внутреннего сгорания? В этом посте я расскажу о работе термосифонной системы охлаждения в двигателях и ее недостатках. Это один из видов систем водяного охлаждения.

Работа системы охлаждения термосифона:

1. Эта система охлаждения состоит из различных частей, таких как радиатор, вентилятор, нижний бак, верхний бак, соединение нижнего шланга, соединение верхнего шланга и водяная рубашка цилиндра, как показано на схеме системы охлаждения термосифона.
2. Система охлаждения термосифон сконструирована таким образом, что вода может циркулировать естественным образом из-за разницы в плотности между горячей и холодной водой.
3. Эта система имеет радиатор, а его верхний и нижний баки соединены с верхней и нижней водяной рубашками цилиндра с помощью труб.
4. Горячая вода в рубашке поднимается и течет в верхний бак из-за более низкой плотности по сравнению с холодной водой и холодной водой из потока радиатора в нижнюю водяную рубашку, чтобы заменить имеющуюся горячую воду.
5. Горячая вода из верхнего бака теперь течет в нижние баки. Вентилятор, установленный поперек трубок, приводимых в движение коленчатым валом двигателя, охлаждает воду и собирает ее в нижнем резервуаре.
6. Для увеличения скорости теплопередачи, поверхность радиатора, подвергаемая воздушному потоку, покрыта ребрами.
7. Термосифонная система охлаждения автомобилей и трансформаторов использует тот же принцип охлаждения.
8. Данная система охлаждения подходит только для двигателей малой мощности.
9. Для дополнительной информации эта система также используется в для охлаждения процессора .

Подробнее Что такое карбюратор? Разъясните типы карбюраторов

Недостатки системы охлаждения термосифона:

• В этой системе радиатор необходимо держать выше уровня цилиндра двигателя, чтобы вода поступала в двигатель под действием силы тяжести для эффективного функционирования системы.
• Циркуляция горячей воды запускается только тогда, когда двигатель становится горячим.
• Термосифонная система охлаждения не подходит для двигателей большой мощности, где требуется очень высокая скорость теплопередачи.
• Уровень воды в радиаторе должен быть выше нагнетательных труб, чтобы избежать чрезмерного повышения температуры охлаждающей воды и образования пара.
• В этой системе температура охлаждающей воды должна строго поддерживаться. Он не должен увеличиваться более чем на 80ºC.

Идеи проектов в области машиностроения для студентов колледжей

Чтобы глубже понять эту концепцию, вы должны посмотреть анимацию системы охлаждения термосифона на YouTube.

Наши загрузки:

Нужна эта статья офлайн?

Скачать термосифонную систему охлаждения ppt и pdf

Термосифонная система водяного охлаждения (автомобиль)

12,5.

Термосифонная система охлаждения (рис. 12.30) работает по принципу естественной конвекции, вызванной изменением плотности воды, и, следовательно, не использует насос. Нагретая вода расширяется, из-за чего плотность уменьшается.Когда он остывает, его объем уменьшается, а значит, увеличивается плотность. Эти изменения плотности создают конвекционные потоки, так что происходит циркуляция воды. При этом используются все компоненты систем водяного охлаждения, кроме циркуляционного насоса.

Рис. 12.30. Термосифонная система жидкостного охлаждения.
Преимущества термосифонного охлаждения:
(a) Дешево, так как не требуется водяной насос.
(b) Надежный, поскольку в нем нет движущихся частей.
(c) Циркуляция воды зависит исключительно от температуры двигателя.Чем горячее двигатель, тем больше циркуляция.

Недостатки термосифонного охлаждения следующие (которые являются дополнительными пунктами по сравнению с тем, что указано в разделе 12.1.3).
(a) Для обеспечения эффективной циркуляции верхний бак радиатора должен располагаться значительно выше двигателя. Для этого нужна высокая линия капота.
(b) Охлажденная вода поступает в двигатель в нижней части цилиндра, где двигатель обычно работает довольно холодно, и нагревается до максимума, когда достигает верхней части цилиндров.Следовательно, он оказывает меньшее охлаждающее воздействие на самые горячие части двигателя.
(c) Трудно установить отопитель салона без водяного насоса.
(d) В условиях очень большой нагрузки или в жарком климате вода может циркулировать не так быстро, как требуется. №
Установка водяного насоса обеспечивает положительную циркуляцию воды и устраняет все недостатки процесса термосифонного охлаждения.
Преимущества систем водяного охлаждения, работающих по принципу термосифона, по сравнению с системами воздушного охлаждения:
(a) Обычно считается более подходящим, чем воздушное охлаждение для многоцилиндровых двигателей.
(b) Следовательно, вода имеет очень высокую удельную теплоемкость; небольшое количество воды способно поглощать большое количество тепла.
(c) Вода дешевая и легко доступная.
(d) С помощью термостата можно контролировать температуру двигателя.
(e) Шум двигателя снижается, поскольку он проходит через водяную рубашку.
(/) Вода, нагретая двигателем, может использоваться для обогрева салона автомобиля и в некоторых случаях впускного коллектора.

Термосифоны — обзор | Темы ScienceDirect

II Системы горячего водоснабжения

Простейшая термосифонная система горячего водоснабжения (ГВС) показана на рис.5. Когда вода в коллекторе нагревается, она расширяется, становится легче, движется вверх, сливается в верхнюю часть резервуара для хранения и втягивает более холодную и тяжелую воду со дна резервуара. Таким образом создается естественная термосифонная циркуляция, которая постепенно нагревает объем воды, содержащейся в резервуаре. Было замечено, что эта циркуляция проявляет тенденцию к саморегулированию: скорость потока будет регулироваться сама по себе, так что приращение температуры от входа к выходу коллектора ( T _из — T _в ) составляет примерно 10 K, по крайней мере, в типичные термосифонные системы, и это справедливо для широко меняющихся температурных и радиационных условий.

РИСУНОК 5. Простая система горячего водоснабжения с термосифоном. (В терминах Таблицы II: солнечная, прямая, закрытая, заполненная, термосифонная, рециркуляционная система, с отдельным баком.)

Эта система требует, чтобы бак был на уровне выше, чем верхняя часть коллектора. Во всех случаях, но особенно если он подвергается воздействию внешних условий, резервуар должен быть очень хорошо изолирован, чтобы предотвратить чрезмерные тепловые потери резервуара. Если по какой-то причине резервуар не может быть помещен в такое возвышенное положение, необходимо установить небольшой насос для обеспечения циркуляции жидкости.В этом случае насос должен управляться, например, дифференциальным термостатом. Тогда это будет система с принудительной циркуляцией, классифицируемая как активная, в то время как термосифонная система принимается большинством авторов как пассивная система.

Подача холодной воды может быть обеспечена прямым подключением к сети (в этом случае все компоненты должны выдерживать давление в сети) или из бака питателя (который находится в приподнятом положении и заполняется из сети через поплавковый клапан. аналогично поплавковому клапану унитаза-бачка).Для систем давления в сети большинство коммунальных служб или органов водоснабжения требуют установки обратного клапана. В то время как системы низкого давления (питающий резервуар) открыты в атмосферу через вентиляционную трубу, системы сетевого давления должны быть защищены от избыточного давления (из-за теплового расширения воды при нагревании) с помощью предохранительного клапана, а также от разрушения (взрыва). , что может быть вызвано эффектом всасывания (образование вакуума) в случае случайного сброса воды через воздухозаборник (или сапун).

В местах, где может произойти замерзание, система должна быть защищена от повреждений от мороза. В мягком зимнем климате, где заморозки случаются редко, некоторым теплом можно пожертвовать за счет медленной ночной циркуляции воды или небольшого нагревательного элемента, встроенного в нижнюю часть коллектора. В более холодном климате можно использовать системы обратного слива (рис. 6), которые автоматически опорожняют коллектор, когда температура падает почти до нуля. В качестве альтернативы может использоваться непрямая система (рис.7), в которой первичный (коллекторный) контур заполнен раствором антифриза (например,g., этилен или пропиленгликоль) или с неводной жидкостью. Это замкнутый контур, и тепло передается потребляемой воде через теплообменник. Если антифриз токсичен, то в качестве меры безопасности может потребоваться теплообменник с двойными стенками. Такие устройства управления и безопасности могут значительно усложнить простую систему.

ТАБЛИЦА II. Классификация солнечных систем горячего водоснабжения ^a

РИСУНОК 6. Дренажно-обратная система с принудительной циркуляцией А останавливается, содержимое коллектора стекает обратно в резервуар.

РИСУНОК 7. Непрямая система горячего водоснабжения. (В терминах Таблицы II: солнечная, косвенная, закрытая, заполненная, насосная, рециркуляционная система с отдельным резервуаром.)

Солнечная система ГВС может быть спроектирована так, чтобы обеспечивать 100% потребности в горячей воде (т. Е. Долю солнечной энергии, равную 1), но она не будет экономичной, за исключением наиболее благоприятных ситуаций. На рисунке 8 показана доля солнечной энергии как функция площади коллектора для типичной установки ГВС, и это наглядная иллюстрация закона убывающей отдачи. Большинство дизайнеров считают, что экономический предел составляет от 0,6 до 0,8 солнечной доли.

РИСУНОК 8. Доля солнечного излучения как функция площади коллектора (для 180 литров горячей воды в день, в Брисбене, при использовании коллектора с двойным остеклением и селективной поверхностью), иллюстрация закона убывающей отдачи.

Оставшаяся потребность в обогреве должна обеспечиваться дополнительным нагревателем, основанным на каком-либо традиционном источнике энергии, если пользователи не хотят изменить свой образ жизни и время от времени мириться с теплой водой или принимать горячий душ и делать то же самое. стирка только при наличии горячей воды от солнечной энергии. Технически самой простой формой дополнительного нагрева является использование электрического погружного нагревательного элемента, встроенного в сам резервуар для горячей воды. Рекомендуется располагать его на высоте от половины до двух третей высоты резервуара, чтобы он нагревал только верхнюю треть или половину объема воды.Если появляется солнечный свет, более холодная вода в нижней части резервуара остается готовой для солнечного нагрева, поэтому тепло не теряется.

Газовые или масляные обогреватели также могут использоваться в качестве дополнительных источников тепла, но они будут находиться вне резервуара, циркулируя его содержимое через нагреватель или иметь отдельный контур теплопередачи для подачи тепла в резервуар для горячей воды через теплообменник. С точки зрения экологической устойчивости дополнительные газовые обогреватели являются более предпочтительными, поскольку они вызывают гораздо меньше выбросов CO ₂ .

Дополнительный источник тепла также может быть установлен как дополнительный нагреватель. Таким образом, солнечная часть системы станет подогревателем. Только когда происходит водозабор, вода, нагретая солнечными батареями, течет в дополнительный нагреватель, независимо от ее температуры, и доводится до требуемого уровня температуры. Этот дополнительный нагреватель может быть проточным (мгновенным) или накопительным. При благоприятных условиях его можно не задействовать, но он будет служить резервным устройством. В таблице II представлена ​​классификация солнечных систем ГВС по семи признакам.

Нагрев плавательных бассейнов — идеальное применение солнечной энергии. Поскольку требования к температуре очень низкие (<30 ° C), можно использовать недорогие, часто не покрытые глазурью, коллекторы. На рынке представлено несколько коллекторных систем, в которых используются пластмассовые или резиновые материалы, которые могут быть прикреплены к существующей поверхности крыши. Почти во всех случаях это активные (перекачиваемые) системы, но обычно фильтрующего насоса бассейна достаточно для обеспечения циркуляции через коллекторы.

Термосифонные системы охлаждения, теплообменники и ребойлеры

Стандартные тепловые трубки могут работать в любой ориентации, поскольку они используют фитиль для возврата жидкости из конденсатора в испаритель с помощью капиллярных сил.Напротив, Thermosyphon ( или Thermosiphon ) использует силу тяжести для возврата жидкости, поэтому испаритель должен располагаться под конденсатором. Работа термосифона показана на рисунке 1. Тепло, подводимое к испарителю, испаряет рабочую жидкость, которая движется вверх к конденсатору, испаряется и стекает обратно по сторонам оболочки. Адиабатическая секция и секция конденсатора, как правило, голые, в то время как испаритель может иметь фитиль для запуска.

Рисунок 1.Термосифонная операция.

Преимущества термосифонов

Термосифоны также действуют как диодные тепловые трубки. Когда тепло подводится к конденсатору, конденсат отсутствует, и, следовательно, нет возможности образовывать пар и передавать тепло испарителю.

В таблице 1 показаны различия между термосифоном и тепловой трубкой. Основное преимущество термосифона заключается в том, что он может нести большую мощность, чем тепловая труба того же диаметра, а длина термосифона практически не ограничена.За исключением тепловых трубок с пазами для помещений, тепловые трубки обычно могут иметь неблагоприятную высоту менее 1 фута (25 см). Это можно увидеть, запустив вычислитель тепловых труб ACT с разной высотой и отметив, что мощность тепловой трубки постепенно уменьшается до нуля по мере увеличения высоты.

Напротив, термосифонные системы могут работать до тех пор, пока они находятся под наклоном, так что сила тяжести возвращает конденсат, и может быть сколь угодно долго. В некоторых случаях термосифоны длиной более 50 м изготавливаются для геотермальных применений.

Таблица 1. Различия между тепловой трубкой и термосифоном.

* Прокрутите вправо, чтобы просмотреть таблицу

Рисунок 2.Термосифон из титана и воды с конденсатором длиной 2 м, изготовленный ACT для лунного радиатора.

На рис. 2 показан термосифон титан / вода с конденсатором длиной 2 м, который был изготовлен и испытан в ACT. Возможное применение — отвод тепла от лунного радиатора с тепловыми трубками для миссии НАСА. Эти тепловые трубки имеют запатентованный фитиль в испарителе, который позволяет воде в термосифонах многократно замораживаться и оттаивать, не повреждая термосифоны.

A Loop Thermosyphon может использоваться вместо термосифона в мощных системах и системах с большим тепловым потоком.В петлевом термосифоне пар и жидкость проходят через отдельные линии, устраняя напряжения сдвига, которые ограничивают мощность термосифона до предела затопления .

Вернуться к Различные типы тепловых трубок…

Как работают термосифонные системы

Сифон, как знает любой студент, изучающий элементарные науки и умелый похититель бензина, представляет собой трубку, которая перемещает жидкость вверх и из контейнера на одном уровне во второй контейнер на более низком уровне — и все это с помощью атмосферного давления.В детстве мы делали сифоны, просто высасывая воздух из куска шланга или резиновой трубки, чтобы создать вакуум и запустить поток жидкости (рис. 77).

В простейшем солнечном водонагревателе с термосифонированием основной объем воды (накопительный бак) всегда находится в самой высокой точке системы. Нисходящее давление из бака вытесняет воду в трубе для холодной воды (которая выходит у основания бака) и, в конечном итоге, выталкивает ее в каналы пластины абсорбера, расположенной в коллекторах ниже.

В то же время коллекторы собирают излучение, преобразуя его в тепловые потоки БТГ, которые, в свою очередь, передаются в воду (или жидкость).

Рис. 77. Этот тип клапана давления-температуры, который должен быть размещенным в верхней части резервуара для хранения, автоматически открывается, когда он обнаруживает слишком много тепла или давления в резервуаре. Обычно они предварительно настроены на выпуск при 150 фунтах на квадратный дюйм.

проходящий через пластину абсорбера. Таким образом, холодная вода поступает в нижнюю часть коллектора, а горячая выходит сверху (Рисунок 78).

Напомним, что нагретая вода становится легче или менее плотной, чем холодная вода, поэтому она поднимается в трубку, которая возвращается в точку примерно на 2/3 пути вверх по стенке резервуара для хранения. Явление, которое заставляет нагретую жидкость течь вверх по трубке — в данном случае от коллектора обратно в резервуар — называется естественной конвекцией, как вы помните. Таким образом, тепло плюс эффект сифона — это два ключа к системе свободной циркуляции (рис. 79).

Тем временем в резервуаре происходит нечто, называемое расслоением.Вода также продолжает медленно циркулировать в резервуаре, как мы уже знаем, но постепенно более холодная вода оседает на дно резервуара, в то время как более горячая вода остается наверху. Итак, существует несколько различных уровней температуры, как и в любом резервуаре для горячей воды. Вот почему мы можем набирать горячую воду сверху и почему мы всегда можем быть уверены, что холодная вода вытечет из нижней линии.

Но именно из-за этого расслоения резервуар должен быть выше коллекторов. В противном случае система работала бы в обратном направлении ночью, когда не было солнечного тепла.Если нет ничего, что могло бы поддерживать циркуляцию в правильном направлении, горячая вода будет подниматься из бака в коллекторы, создавая неудобное обстоятельство, известное как «обратный поток». Обратный поток не только забирает горячую воду из резервуара, но и подает холодную воду, потому что вода фактически будет охлаждена, когда она проходит через неизолированные коллекторы в ночное время. Вот почему дно резервуара должно быть как минимум на фут выше верхней части коллектора. Две ноги было бы еще лучше.

Время от времени предполагалось, что термосифонная система с баком под коллектором могла бы работать, если бы в одной из линий был установлен обратный клапан (который позволяет воде течь только в одном направлении).Теоретически это отличная идея, но в типичной системе свободной циркуляции в линиях редко бывает достаточно давления, чтобы обратный клапан функционировал должным образом.

Контейнер 1

Рис. 78. Эта простая демонстрация, которую вы, вероятно, видели в 5-м классе, объясняет, как работает нисходящая ножка солнечного водонагревателя с термосифонированием. Если трубка «откачана» (воздух удален), а емкость 2 находится ниже дна емкости 1, нормальное атмосферное давление будет выталкивать воду в трубку.Пока трубка заполнена водой, из верхнего контейнера будет стекать вода. Это половина причины, по которой вода (или раствор антифриза) будет естественным образом циркулировать в термосифоне.

Рис. 78. Эта простая демонстрация, которую вы, вероятно, видели в 5-м классе, объясняет, как работает нисходящая ветвь солнечного водонагревателя с термосифонированием. Если трубка «откачана» (воздух удален), а емкость 2 находится ниже дна емкости 1, нормальное атмосферное давление будет выталкивать воду в трубку.Пока трубка заполнена водой, из верхнего контейнера будет стекать вода. Это половина причины, по которой вода (или раствор антифриза) будет естественным образом циркулировать в термосифоне.

В доме с достаточно крутой крышей резервуар может располагаться над панелями кровли — на чердаке под коньковой стойкой. (В этом есть преимущество, если чердак отапливается и хорошо изолирован, потому что там меньше потенциальных потерь тепла из резервуара.) Многие люди в южных штатах замаскировали свои резервуары ложными дымоходами.Другой вариант: если ваш дом выше, чем ваш гараж, подумайте о том, чтобы поставить коллекторы на крышу гаража, а резервуар — где-нибудь выше в доме. Если ни одно из этих мест невозможно или практично, всегда есть земля (рис. 80).

Есть и серьезные недостатки у термосифонирующих солнечных водонагревателей:

Во-первых, производительность горячей воды значительно меньше, чем в системе с принудительной циркуляцией. Куда перекачивают воду

Рисунок 79.В любой термосифонной системе водяного отопления основание накопительного бака должно быть как минимум на фут выше верхней части коллектора. Это сделано для того, чтобы воспользоваться эффектом сифона и предотвратить обратный поток, когда в панель солнечного коллектора не поступает тепло. Обратите внимание на то, как водопроводный резервуар. Горячую воду можно набирать из верхней части бака, а холодную — из нижней. Задвижки не являются обязательными, но это хорошая идея. А вот сливной кран котла в самом низу системы критично.Его предназначение — опорожнять линии в морозную погоду.

Горячая вода в дом

Горячая вода в дом

Рис. 80. Если невозможно поставить коллекторы на крышу, а резервуар для хранения по-прежнему будет выше, коллекторы можно установить на земле вне дома. Панели должны располагаться как можно ближе к внешней стене, чтобы водопроводные линии оставались короткими. Если в баке есть змеевик теплообменника, чтобы обогреватель мог работать в холодную погоду, водопровод необходимо тщательно изолировать.Некоторые люди защищают внешние водопроводные линии электрическими тепловыми лентами.

Рис. 80. Если невозможно поставить коллекторы на крышу, а резервуар для хранения при этом будет выше, коллекторы можно установить на земле вне дома. Панели должны располагаться как можно ближе к внешней стене, чтобы водопроводные линии оставались короткими. Если в баке есть змеевик теплообменника, чтобы обогреватель мог работать в холодную погоду, водопровод необходимо тщательно изолировать. Некоторые люди защищают внешние водопроводные линии электрическими тепловыми лентами.

через солнечные коллекторы, разумно ожидать, что в идеальных условиях можно ожидать, что в идеальных условиях будет примерно галлон на квадратный фут поверхности коллектора в час. Если в системе естественной циркуляции вы получаете более галлона горячей воды на квадратный фут коллектора в день, ваша система работает исключительно хорошо. Другими словами, термосифонная система не только запускается медленно, но и обеспечивает примерно 1/5 объема горячей воды, даже если вода, которая циркулировала естественным путем, будет горячее, чем вода, прокачиваемая через коллекторы с большей скоростью.

Система прямого термосифона, в которой не используется антифриз, представляет собой проблему, отличную от очевидной проблемы замерзания. Поскольку через нагреватель не циркулируют ингибиторы коррозии, примеси в воде могут в конечном итоге вызвать накопление минеральных отложений в трубках абсорбера и водопровода.

Размещение накопительного бака над коллекторами иногда означает структурные проблемы. Ставить горячую воду над жилым помещением — это рискованно. Даже если вы укрепите пол или чердак достаточно хорошо, чтобы все сооружения не обрушились на вас посреди ночи, протекающий резервуар на чердаке может стать настоящей головной болью.Ремонт или замена гипсокартона и изоляции, а также необходимость перекрашивать стены и потолки, разрушенные водой, могут стоить больше, чем любая экономия, которую вы могли бы получить, установив термосифонную систему (рис. 81).

Естественная система циркуляции, конечно, должна быть настроена таким образом, чтобы на линиях не было ровных мест, где могут образовываться воздушные пробки. Все трубки должны иметь уклон либо вниз к сливному крану, либо вверх к резервуару. Также должен быть абсолютный минимум трения внутри самой сантехники.В большинстве случаев это означает использование труб большего диаметра и более дорогих — возможно, 1 дюйм или даже 1-1 / 2 дюйма вместо обычной 3/4-дюймовой мягкой меди. Это также означает, что нужно оставить больше места для сантехники, чтобы исключить любые изгибы и «углы» под углом 90 градусов, и тем самым минимизировать сопротивление в линиях.

Потеря напора — сопротивление в трубах — враг номер один для любой солнечной системы со свободной циркуляцией

Рисунок 81. Некоторые накопительные баки для систем термосифонирования могут быть установлены на чердаках или даже в ложных дымоходах.Это хороший способ сохранить тепло в воде — если бак и чердак хорошо утеплены. Не забывайте, что резервуар для воды на 120 галлонов может весить до полутонны, поэтому обязательно укрепите балочную конструкцию крыши и пола.

Рисунок 81. Некоторые накопительные резервуары для систем термосифонирования могут быть установлены на чердаках или даже в ложных дымоходах. Это хороший способ сохранить тепло в воде — если бак и чердак хорошо утеплены. Не забывайте, что резервуар для воды на 120 галлонов может весить до полутонны, поэтому обязательно укрепите балочную конструкцию крыши и пола.

водонагреватель. Место, где, вероятно, будет больше всего трений, находится в самом коллекторе. Здесь каналы на пластине абсорбера или в ней должны иметь диаметр не менее 3/4 дюйма. И сопротивление будет меньше, если коллекторные трубки будут подключены последовательно, а не параллельно. Это означает, что вам почти нужно построить свой собственный поглотитель. Большинство предварительно изготовленных пластин абсорбера имеют параллельные каналы, которые слишком малы, чтобы пропускать воду или жидкость.

А тут замораживание. Лучшее практическое правило для принятия решения о том, можете ли вы безопасно установить систему с прямым термосифоном, звучит примерно так: если цитрусовые не могут быть успешно выращены там, где вы живете, забудьте об этом! Даже если вы можете выращивать апельсины на заднем дворе, вы все равно рискуете. Это означает, что в большинстве частей Соединенных Штатов термосифонирование для горячей воды от солнечной энергии нецелесообразно в доме, работающем круглый год, если в системе не установлен теплообменник.

Теплообменник — это достаточно простое и эффективное устройство, которое позволяет вам делать несколько вещей: (1) вы можете хранить раствор антифриза в замкнутом коллекторном контуре, который полностью изолирован от горячего водоснабжения в накопительном баке, как мы уже знаем.(2) А поскольку теплообменник допускает два отдельных контура, ваш бак может выдерживать любое нормальное давление, существующее в обычной системе водоснабжения дома (возможно, 60 фунтов на квадратный дюйм), в то время как коллекторный контур может иметь значительно меньшее давление (скажем, 15 фунтов на квадратный дюйм).

Помните, что тепло всегда стремится переместиться из более горячего места в более холодное. Хотя эта тенденция может вызвать неприятные потери тепла из резервуара для хранения, тот же принцип делает возможным теплообменник. Тепло может передаваться

Рисунок 82.В противоточном теплообменнике две жидкости движутся мимо друг друга в противоположных направлениях. Тепло передается от одного к другому через металлический барьер. Если змеевик погружен в резервуар для воды, тепло от змеевика передается в окружающую воду, даже если вода в резервуаре не движется.

Рис. 82. В противоточном теплообменнике две жидкости движутся мимо друг друга в противоположных направлениях. Тепло передается от одного к другому через металлический барьер.Если змеевик погружен в резервуар для воды, тепло от змеевика передается в окружающую воду, даже если вода в резервуаре не движется.

из текучей среды, протекающей с одной стороны барьера для другой жидкости с противоположной стороны, при этом они никогда не соприкасаются друг с другом (рис. 82). Идея состоит в том, чтобы дать разделительной стенке между двумя жидкостями как можно большую площадь поверхности, чтобы можно было передавать максимальное количество тепла.

Самый распространенный тип теплообменника для солнечного водонагревателя — и, вероятно, лучший — это медный змеевик, погруженный прямо в резервуар для горячей воды.Чем длиннее змеевик, тем больше у него площадь поверхности и тем больше вероятность выхода тепла из медных трубок в воду в окружающем резервуаре (см. Рисунок 68).

В любом солнечном водонагревателе, кстати, площадь поверхности змеевика теплообменника должна быть не менее 1/4 общей площади поверхности труб в абсорбирующих пластинах коллекторных панелей — если система должна быть действительно эффективным. Змеевика в типичном теплообменнике с баком на 120 галлонов более чем достаточно для поддержки нескольких коллекторов площадью 24 квадратных фута.

Вы также можете купить теплообменники, которые можно установить отдельно вне бака-накопителя горячей воды (Рисунок 83). В этом случае необходим дополнительный контур для циркуляции воды из бака через теплообменник и обратно в бак за счет естественной конвекции. Конечно, этот шлейф должен быть изолирован.

Стальной кожух

в резервуар

Стальной кожух

В резервуар

Из резервуара

из коллектора

Сплошная медная катушка

Из резервуара

из коллектора

Сплошная медная катушка

К коллекционеру

Рисунок 83.Возможна покупка теплообменников, которые можно установить вне существующего резервуара для горячей воды. Для этого требуется отдельный контур для подачи воды из бака в теплообменник и обратно в бак. Естественно, это не так эффективно, как змеевик в резервуаре. Любой отдельный блок, подобный этому, должен быть хорошо изолирован. И сантехника тоже.

Если комбинация резервуара и готового теплообменника кажется слишком большой инвестицией, есть способы построить самодельные теплообменники, которые можно использовать как с термосифонными солнечными водонагревателями, так и с системами принудительной циркуляции.

Один из самых простых из этих «самодельных» теплообменников можно сделать из утилизированного мусора. Дизайн разработан Стивом Бэром и его коллегами из Zomeworks из Нью-Мексико. Это не более чем старый резервуар для горячей воды, который находится в переработанной масляной бочке емкостью 55 галлонов, заполненной нетоксичной смесью антифриза и воды. Нагретая жидкость поступает в 55-галлонную «рубашку», окружающую резервуар, и тепло передается воде внутри. В этом плане (Рис. 84) отверстие для забора горячей жидкости в рубашку должно быть по крайней мере на 9 дюймов ниже верха масляной бочки, чтобы обеспечить хорошую циркуляцию тепла внутри рубашки.

Неопреновая набивка; Барьер испарения

Неопреновая набивка; Барьер испарения

Рис. 84. Вот теплообменник Zomeworks. Это легко сделать, эффективно и дешево. Но за этим следует внимательно следить. Если стенка бака проржавела, система горячего водоснабжения будет загрязнена антифризом. Время от времени снимайте изоляцию для проверки.

Рис. 84. Вот теплообменник Zomeworks. Это легко сделать, эффективно и дешево.Но за этим следует внимательно следить. Если стенка бака проржавела, система горячего водоснабжения будет загрязнена антифризом. Время от времени снимайте изоляцию для проверки.

Рисунок 85. Это еще один самодельный теплообменник. Если аккуратно обернуть медную трубку и использовать много припоя, чтобы пропотеть медь к резервуару, вы получите довольно хорошее термическое соединение. Цемент «Термон» должен работать не хуже припоя. Старайтесь не допускать перекручивания медных трубок и обязательно накройте теплообменник и резервуар изоляцией.То, что вы видите здесь, является примером теплообменника с двойными стенками, потому что тепло должно проходить через два барьера.

Рисунок 85. Это еще один самодельный теплообменник. Если аккуратно обернуть медную трубку и использовать много припоя, чтобы пропотеть медь к резервуару, вы получите довольно хорошее термическое соединение. Цемент «Термон» должен работать не хуже припоя. Старайтесь не допускать перекручивания медных трубок и обязательно накройте теплообменник и резервуар изоляцией. То, что вы видите здесь, является примером теплообменника с двойными стенками, потому что тепло должно проходить через два барьера.

Еще одна альтернатива для простого в изготовлении теплообменника — обернуть около 50 футов 3/8-дюймовой или 1/2-дюймовой мягкой медной трубки вокруг нижних 2/3 резервуара для хранения. Держите бинты близко друг к другу и не перекручивайте. Затем используйте много припоя, чтобы обеспечить хорошее тепловое соединение между резервуаром и трубкой. Как только припой будет на месте, изолируйте все работы. Такой теплообменник никогда не может быть таким же хорошим, как змеевик в резервуаре, потому что есть два препятствия, через которые тепло должно проходить — сама трубка и стенка резервуара (рис. 85).

Выбираете ли вы солнечный водонагреватель со свободной циркуляцией воды или систему с принудительной циркуляцией, это, конечно же, ваше решение. Несмотря на то, что у нее есть недостатки, привлекательность термосифонной системы заключается в ее простоте и низких эксплуатационных расходах даже с теплообменником. Но не делайте выбора, пока не прочитаете следующую главу.

Читать здесь: Системы принудительной циркуляции

Была ли эта статья полезной?