Thermosiphon/ru
Термосифонирование , также известное как термосифонирование , считается подходящей технологией . Этот процесс использует природные, возобновляемые ресурсы и основные законы термодинамики для создания движения нагретого воздуха или воды. Источником энергии для этого процесса является солнечное излучение (или любой другой источник тепла). Энергия солнца улавливается в солнечном коллекторе и передается либо воздуху, либо воде посредством теплопроводности. Весь процесс можно объяснить эффектом термосифонирования : когда воздух или вода нагреваются, они получают кинетическую энергию от источника тепла и возбуждаются. В результате вода становится менее плотной, расширяется и, таким образом, поднимается. Напротив, когда вода или воздух охлаждаются, энергия извлекается из молекул, и вода становится менее активной, более плотной и имеет тенденцию «тонуть». Термосифонирование использует естественные различия в плотности между холодными и горячими жидкостями и управляет ими в системе, которая производит естественное движение жидкости. В настоящее время доступно несколько систем, основанных на этой технологии, и о них можно прочитать более подробно в следующем тексте.
Принцип работы термосифонной системы заключается в том, что холодная вода имеет более высокий удельный вес (плотность), чем теплая вода, и, будучи тяжелее, будет опускаться вниз. Поэтому коллектор всегда устанавливается под баком для хранения воды, так что холодная вода из бака достигает коллектора по нисходящей водопроводной трубе. Если коллектор нагревает воду, вода снова поднимается и достигает бака по восходящей водопроводной трубе в верхнем конце коллектора. Цикл бак → водопроводная труба → коллектор обеспечивает нагрев воды до тех пор, пока она не достигнет равновесной температуры. Затем потребитель может использовать горячую воду из верхней части бака, при этом любая использованная вода заменяется холодной водой внизу. 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. Поэтому циркуляция воды почти идеально адаптируется к уровню солнечной освещенности. Накопительный бак термосифонной системы должен располагаться значительно выше коллектора, в противном случае цикл может пойти в обратном направлении ночью, и вся вода остынет. Кроме того, цикл не работает должным образом при очень малых перепадах высот. В регионах с высокой солнечной радиацией и архитектурой с плоской крышей накопительные баки обычно устанавливаются на крыше.
Термосифонные системы работают очень экономично в качестве систем нагрева воды для бытовых нужд. Принцип прост, не требует ни насоса, ни управления. Однако термосифонные системы обычно не подходят для больших систем, то есть с площадью коллектора более 10 м². Кроме того, трудно разместить бак над коллектором в зданиях с покатыми крышами, а одноконтурные термосифонные системы подходят только для регионов без заморозков.
Содержание
Базовая физика
Термодинамика — это наука об 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 можно применить к движению воды в термосифонной системе: энергия от солнца направляется и передается (через проводимость и конвекцию) 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 всех обменах энергией, если энергия не входит в систему и не выходит из нее, потенциальная энергия состояния всегда будет меньше, чем у начального состояния. Чистый доход системы всегда меньше того, который был изначально вложен.
Энергия всегда сохраняется, однако энергия (или тепло в данном случае) часто может теряться в данной системе (термосифонирование) в виде тепла. Добавление изоляции с соответствующими значениями R в систему и ее трубопроводы может значительно снизить потери тепла и, таким образом, повысить эффективность.
- Закон Планка - Длина волны излучения, испускаемого поверхностью, пропорциональна температуре поверхности. Энергия передается в результате разницы температур между двумя объектами. Темные объекты поглощают тепло, а светлые объекты отражают.
Темные цветные пластины сбора в солнечном коллекторе помогут увеличить поглощение солнечной энергии, тем самым увеличивая количество тепла, доступного для нагрева воды или воздуха в термосифоне. Напротив, следует использовать отражающие или светлоокрашенные трубы и резервуары для хранения, поскольку светлые цвета помогут уменьшить тепловое излучение из системы.
Пассивный нагрев воды
Пассивное термосифонирование воды — это процесс нагрева и перемещения воды в системе без необходимости или использования электричества. Этот процесс функционирует за счет использования природных явлений, таких как солнечная энергия, гравитация и доступный источник воды. Солнечный коллектор, трубопровод и резервуар для воды — это материалы, необходимые для процесса нагрева. Поток воды распределяется в, внутри и из солнечного коллектора. Холодная вода поступает в нижнюю часть солнечного коллектора, где она затем нагревается посредством конвекции солнечным излучением. Когда вода нагревается, она становится менее плотной, чем более холодная вода, расширяется, а затем поднимается ( течет ) по трубам. Нагретая вода выходит из верхней части солнечного коллектора естественным образом. Более холодная и более плотная вода опускается и остается в солнечном коллекторе, пока не нагреется. По мере нагревания холодная вода расширяется, поднимается, выталкивается из верхней части солнечного коллектора, позволяя холодной воде течь в солнечный коллектор. Этот процесс продолжается естественным образом, пока температура воды не достигнет равновесия с поступающим солнечным излучением.
В настоящее время доступны два типа термосифонных систем водообмена: моноблочная система и система с гравитационной подачей.
Система с закрытым соединением
.jpg)
Системы с закрытым контуром работают по тем же принципам пассивного термосифонирования, о которых говорилось выше. Резервуар для хранения в этих системах должен быть размещен над солнечным коллектором, чтобы использовать циркуляцию воды, вызванную процессом пассивного термосифонирования.
Материалы
- Солнечная энергия
- Солнечный коллектор
- Трубопровод
- Изоляция
- Вода
- Резервуар для хранения
- Прочная крыша или другая опорная система
Расходы
- Исследования 2007 года показывают, что пассивные термосифонные водонагреватели могут стоить от 500 до 6500 долларов. Цены могут варьироваться в зависимости от размера бака, воздействия солнца и географического положения
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.
Плюсы
- Не загрязняющий окружающую среду
- Экономия энергии — для пассивного термосифонирования не требуется электричество.
- Экономически эффективно
- Экономия места (например, в помещении)
Минусы
- Воздействие внешних условий окружающей среды на резервуар может привести к снижению эффективности в зависимости от географического положения.
- Эстетика - может считаться визуально непривлекательной.
- Необходима прочная опорная конструкция (например, крыша)
- Не подходит для очень холодного климата.
- Расположение - необходимо расположить в месте с подходящим солнечным освещением (т.е. на южной стороне желаемой области)
Система гравитационной подачи
.jpg)
Системы с гравитационной подачей используют те же принципы пассивного термосифонирования, что и система с близкой связью, однако размещение бака отличается. Баки устанавливаются горизонтально на крыше, которая часто располагается прямо над солнечным коллектором. Когда требуется, нагретая вода в баке-накопителе идет по пути наименьшего сопротивления и перемещается под действием силы тяжести вниз в желаемое место. Системы с гравитационной подачей требуют больше труб/сантехники для распределения нагретой воды, и этот фактор следует учитывать при установке или покупке системы термосифонирования.
Материалы
- Солнечная энергия
- Солнечный коллектор
- Трубопровод
- Изоляция
- Вода
- Резервуар для хранения
- Прочная крыша или другая опорная система
Расходы
- Системы с гравитационной подачей воды обычно являются наименее дорогими пассивными термосифонными водонагревателями.
- Исследования 2007 года показывают, что стоимость может варьироваться от 400 до 5500 долларов (не включая стоимость установки, если применимо). Цены могут варьироваться в зависимости от размера бака, солнечного воздействия и географического положения
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.
Плюсы
- Не загрязняющий окружающую среду
- Экономия энергии — для пассивного термосифонирования не требуется электричество.
- Экономически эффективно
- Экономия места (например, в помещении)
- Эстетика - (Горизонтальное размещение бака)
Минусы
- Сантехника и трубопроводы добавляют дополнительные расходы к системе
- Эстетика - может считаться визуально непривлекательной.
- Необходима прочная опорная конструкция (например, крыша)
- Не подходит для очень холодного климата.
- Расположение - необходимо расположить в месте с подходящим солнечным освещением (т.е. на южной стороне желаемой области)
Активный нагрев воды
.jpg)
Активные солнечные системы отопления, также известные как насосные системы или сплит-системы , работают на той же основе эффекта термосифонирования , однако активные системы используют источник энергии, отличный от солнечной энергии, чтобы помочь управлять процессом. Эта система устанавливает только солнечный коллектор на крыше, в то время как накопительный бак устанавливается на земле или в любом другом месте ниже. Эти активные водонагревательные устройства требуют некоторой внешней формы энергии для перекачивания воды по всей системе. Используя дополнительную энергию, эти активные системы менее экономичны, чем пассивные системы.
Материалы
- Солнечная энергия
- Солнечный коллектор
- Электрическая энергия
- Электрический насос
- Дополнительный трубопровод
- Изоляция
- Вода
- Резервуар для хранения
Расходы
- Исследования 2007 года показывают, что активные термосифонные водонагреватели могут стоить от $1200 до $10500. Цены могут варьироваться в зависимости от размера бака, требований к внутренним трубам, воздействия солнца и географического положения
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.
Плюсы
- Экономия денег
- Экономически эффективно
- Эстетика — резервуар для хранения не установлен на крыше
- Сокращение выбросов парниковых газов. При надлежащей изоляции потенциальное загрязнение окружающей среды не ниже, чем у пассивных систем.
Минусы
- Использует больше энергии, чем пассивная система
- Требует большего обслуживания, чем пассивная система
- Потери тепла - при передаче от солнечного коллектора к расположенному ниже накопительному баку
- Загрязняет немного - из-за использования электроэнергии
- Расположение - необходимо расположить в месте с подходящим солнечным освещением (т.е. на южной стороне желаемой области)
Пассивный воздухообмен
_(3).jpg)
Примером метода пассивной системы солнечного теплового отопления является метод термосифонного теплообмена . Он основан на принципе естественной конвекции, при котором воздух или вода циркулируют в вертикальном замкнутом контуре без использования насоса. Холодный воздух в помещении проходит через вентиляционное отверстие и направляется в отверстие в нижней части солнечного коллектора. Затем воздух, содержащийся в солнечном коллекторе, нагревается солнцем посредством солнечного излучения. Холодный воздух плотный и будет опускаться, в то время как теплый воздух менее плотный и будет подниматься. По мере того, как воздух нагревается в солнечном коллекторе, он становится менее плотным, чем более холодный воздух, и поднимается. Теплый воздух поднимается из вентиляционного отверстия в верхнем отверстии солнечного коллектора, перемещается в нужную область (т. е. в помещение) и заменяется более холодным воздухом. Этот процесс воздухообмена будет продолжаться до тех пор, пока температура воздуха в помещении не достигнет равновесия с температурой на улице.
Материалы
- Солнечный коллектор. Чем больше солнечный коллектор, тем лучше.
- Рамка
- 6 вертикальных досок 2 на 6 дюймов - Боковые доски
- Доски 2х6 и 2х8 - Верхний порог
- Шурупы с затяжкой — рекомендуются, но не обязательны для крепления.
- Глазурь
- Гофрированные поликарбонатные панели
- 10 панелей — ширина 26 дюймов, высота 8 футов
- Пары панелей накладываются друг на друга поверх вертикальной деревянной планки размером 1 на 1 дюйм. Получаются панели шириной 4 фута для каждого отсека.
- Покрытие, устойчивое к ультрафиолетовому излучению — наносите на сторону, обращенную к солнцу, чтобы продлить срок службы.
- Пластина для поглощения солнечной энергии
- Двухслойная черная металлическая оконная сетка - крепится сверху и снизу отсеков
- Вентиляционные отверстия
- Отверстия, прорезанные в обшивке здания. Пластиковые заслонки предотвратят обратный поток воздуха через верхние вентиляционные отверстия в ночное время.
Расходы
- Исследования 2007 года показывают, что пассивные теплообменники могут стоить от $55,00 до $400. Цены могут варьироваться в зависимости от размера коллектора/ов, изоляции отапливаемой площади, воздействия солнца и географического положения.
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемых источниках энергии.
Плюсы
- Бюджетный
- Экономия энергии
- Сокращение загрязнения
- Может использоваться для охлаждения электроники
Минусы
- Повышенная потребность в обслуживании (например, укрытие в периоды низкой солнечной радиации)
- Географическое положение может повлиять на эффективность
- Требуется ручное закрытие обратных клапанов на ночь
- Предпочтительны рассрочки с южной стороны
Связанные проекты
Ссылки
- Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) Динамические карты, данные ГИС и инструменты анализа - Солнечные карты (2007) Доступно: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Читарелла, Джо. «Термосифоны — лучший подход к охлаждению ЦП?» Overclockers. 5 августа 2005 г. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Рейса, Гэри. «Создайте простой солнечный обогреватель» Mother Earth News. Январь 2006 г. http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- «Часть 2: Обзор применения возобновляемых источников энергии». http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Мирмов, Н.И., Белякова, И.Г. «Тепловыделение при конденсации пара в термосифоне». Инженерно-физический журнал 43(3), с.970-974, 1982.
- Конструкция и эксплуатационные характеристики компактного термосифона. Анируддха, П., Йогендра, Дж., Бейтельмал, М., Патель, К., Венгер, Т. Школа машиностроения Вудраффа. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
