Thermosiphon/uk

▼Це тематична сторінка . Appropedia зосереджена на оригінальних дослідженнях , але ця сторінка надає корисний контекст і допомагає в навігації сайтом. Ви можете допомогти Appropedia, покращивши цю сторінку .

Термосифонування , також відоме як термосифонування , вважається відповідною технологією . Цей процес використовує природні, відновлювані ресурси та основні закони термодинаміки для створення руху нагрітого потоку повітря або води. Джерелом енергії для цього процесу є сонячне випромінювання (або будь-яке інше джерело тепла). Енергія сонця вловлюється в сонячному колекторі та передається повітрю або воді шляхом провідності. Весь процес можна пояснити ефектом термосифонування : коли повітря або вода нагріваються, вони отримують кінетичну енергію від джерела тепла та збуджуються. В результаті вода стає менш щільною, розширюється і, таким чином, піднімається. Навпаки, коли вода або повітря охолоджуються, енергія витягується з молекул, і вода стає менш активною, більш щільною та має тенденцію "опускатися". Термосифонування використовує природні відмінності в щільності між холодними та гарячими рідинами та контролює їх у системі, яка створює природний рух рідини. Наразі доступні кілька систем, заснованих на цій технології, про які можна прочитати більш детально в наступному тексті.

Принцип термосифонної системи полягає в тому, що холодна вода має вищу питому вагу (щільність), ніж тепла, і тому, будучи важчою, вона опускається вниз. Тому колектор завжди встановлюється під баком-накопичувачем води, щоб холодна вода з бака потрапляла до колектора через низхідну водопровідну трубу. Якщо колектор нагріває воду, вода знову піднімається і потрапляє до бака через висхідну водопровідну трубу у верхньому кінці колектора. Цикл бак → водопровідна труба → колектор забезпечує нагрівання води до досягнення рівноважної температури. Споживач може використовувати гарячу воду з верхньої частини бака, при цьому будь-яка використана вода замінюється холодною водою внизу. Потім колектор знову нагріває холодну воду. Через більшу різницю температур при вищій сонячній радіації тепла вода піднімається швидше, ніж при нижчій. Тому циркуляція води майже ідеально адаптується до рівня сонячної радіації. Бак-накопичувач термосифонної системи повинен бути розташований значно вище колектора, інакше цикл може працювати у зворотному напрямку протягом ночі, і вся вода охолоне. Крім того, цикл не працює належним чином при дуже малих перепадах висоти. У регіонах з високим рівнем сонячного випромінювання та архітектурою плоских дахів, резервуари-акумулятори зазвичай встановлюються на даху.

Термосифонні системи працюють дуже економічно як системи нагрівання води для побутових потреб. Принцип простий, вони не потребують ні насоса, ні системи керування. Однак термосифонні системи зазвичай не підходять для великих систем, тобто тих, що мають площу колектора понад 10 м². Крім того, важко розмістити бак над колектором у будівлях з похилими дахами, а одноконтурні термосифонні системи підходять лише для регіонів, де немає морозу.

Базова фізика

Термодинаміка — це вивчення енергії .

• Перший закон термодинаміки — стверджує, що енергія може переходити з однієї форми в іншу, але не може бути створена чи знищена. Енергія завжди зберігається.

Цей закон можна застосувати до руху води в термосифонній системі: енергія сонця спрямовується та передається (через теплопровідність та конвекцію) до води, повітря або іншого середовища на вибір. Цей природний процес нагрівання усуває потребу в зовнішніх джерелах енергії, таких як викопне паливо чи електроенергія.

• Другий закон термодинаміки — стверджує, що у всіх енергетичних обмінах, якщо енергія не надходить і не виходить з системи, потенційна енергія стану завжди буде меншою за потенціальну енергію початкового стану. Чистий прибуток системи завжди менший за той, який був спочатку введений.

Енергія завжди зберігається, проте енергія (або тепло в цьому випадку) часто може втрачатися в даній системі (термосифонування) у вигляді тепла. Додавання ізоляції з відповідними значеннями R до системи та її трубопроводу може значно зменшити втрати тепла і таким чином підвищити ефективність.

• Закон Планка – довжина хвилі випромінювання, що випромінюється поверхнею, пропорційна температурі поверхні. Енергія передається в результаті різниці температур між двома об'єктами. Темні об'єкти поглинають тепло, а світлі – відбивають.

Темні колекторні пластини всередині сонячного колектора сприятимуть збільшенню поглинання сонячної енергії, тим самим збільшуючи кількість тепла, доступного для нагрівання води або повітря в термосифонному режимі. Натомість слід використовувати світловідбиваючі або світло забарвлені труби та резервуари-акумулятори, оскільки світлі кольори допоможуть зменшити теплове випромінювання з системи.

Пасивний нагрів води

Пасивне термосифонування води – це процес нагрівання та переміщення води в системі без потреби або використання електроенергії. Цей процес функціонує за рахунок використання природних явищ, таких як сонячна енергія, гравітація та доступне джерело води. Сонячний колектор, трубопроводи та резервуар для води – це матеріали, необхідні для процесу нагрівання. Потік води розподіляється в сонячний колектор, всередині нього та з нього. Холодна вода надходить у нижню частину сонячного колектора, де потім нагрівається за допомогою конвекції сонячним випромінюванням. Коли вода нагрівається, вона стає менш щільною, ніж холодніша вода, розширюється, а потім піднімається ( тече ) по трубах. Нагріта вода природним чином виходить з верхньої частини сонячного колектора. Холодніша та щільніша вода опускається і залишається в сонячному колекторі, поки не нагріється. Коли холодна вода нагрівається, вона розширюється, піднімається, виштовхується з верхньої частини сонячного колектора, дозволяючи холодній воді надходити в сонячний колектор. Цей процес триває природним шляхом, доки температура води не досягне рівноваги з надходженням сонячного випромінювання.

Наразі доступні два типи термосифонних систем водообміну: система з близьким підключенням та система з гравітаційною подачею.

систему з близьким зв'язком

Системи з близьким підключенням функціонують за тими ж принципами пасивного термосифонування, що згадувалися вище. Бак-акумулятор цих систем повинен бути розміщений над сонячним колектором, щоб використовувати циркуляцію води, що забезпечується процесом пасивного термосифонування.

матеріали

• Сонячна енергія
• Сонячний колектор
• Трубопровід
• Ізоляція
• Вода
• Резервуар для зберігання
• Міцний дах або інша система підтримки

вартість

• Дослідження 2007 року показують, що пасивні термосифонні водонагрівачі можуть коштувати від 500 до 6500 доларів. Ціни можуть змінюватися залежно від розміру бака, сонячного випромінювання та географічного розташування.
• Багато країн, штатів та комунальних служб пропонують стимули для участі у сфері відновлюваної енергетики

плюси

• Не забруднює навколишнє середовище
• Економія енергії - для пасивного термосифонування не потрібна електроенергія
• Економічно ефективний
• Економія місця - (наприклад, у приміщенні)

Мінуси

• Вплив зовнішніх умов навколишнього середовища на резервуар може знизити ефективність залежно від географічного розташування
• Естетика – може вважатися візуально непривабливим
• Потрібна міцна опорна конструкція (наприклад, дах)
• Не підходить для надзвичайно холодного клімату
• Розташування – має бути розташоване в зоні з відповідним сонячним освітленням (тобто на південній стороні бажаної ділянки)

Система гравітаційної подачі

Системи з гравітаційною подачею використовують ті ж принципи пасивного термосифонування, що й системи з моноблочним підключенням, проте розміщення резервуара відрізняється. Резервуари встановлюються горизонтально на даху, який часто розташований безпосередньо над сонячним колектором. За потреби нагріта вода в резервуарі-акумуляторі йде шляхом найменшого опору та рухається під дією сили тяжіння вниз у потрібне місце. Системи з гравітаційною подачею вимагають більше труб/сантехніки для розподілу нагрітої води, і цей фактор слід враховувати під час встановлення або придбання термосифонної системи.

матеріали

• Сонячна енергія
• Сонячний колектор
• Трубопровід
• Ізоляція
• Вода
• Резервуар для зберігання
• Міцний дах або інша система підтримки

вартість

• Системи гравітаційної подачі зазвичай є найдешевшими пасивними термосифонними водонагрівачами.
• Дослідження 2007 року показують, що вартість може коливатися від 400 до 5500 доларів США (не враховуючи вартість встановлення, якщо це застосовується). Ціни можуть змінюватися залежно від розміру резервуара, сонячного випромінювання та географічного розташування.
• Багато країн, штатів та комунальних служб пропонують стимули для участі у сфері відновлюваної енергетики

плюси

• Не забруднює навколишнє середовище
• Економія енергії - для пасивного термосифонування не потрібна електроенергія
• Економічно ефективний
• Економія простору (наприклад, у приміщенні)
• Естетика - (горизонтальне розміщення резервуара)

Мінуси

• Сантехніка та трубопроводи додають додаткові витрати до системи
• Естетика – може вважатися візуально непривабливим
• Потрібна міцна опорна конструкція (наприклад, дах)
• Не підходить для надзвичайно холодного клімату
• Розташування – має бути розташоване в зоні з відповідним сонячним освітленням (тобто на південній стороні бажаної ділянки)

Активний нагрів води

Активні сонячні системи опалення, також відомі як насосні системи або спліт-системи , функціонують на тій самій основі, що й ефект термосифону , проте активні системи використовують джерело енергії, відмінне від сонячної енергії, для забезпечення цього процесу. У цій системі на даху встановлюється лише сонячний колектор, тоді як резервуар-акумулятор встановлюється на землі або в будь-якому іншому місці нижче. Ці активні водонагрівачі потребують певної зовнішньої форми енергії для перекачування води по всій системі. Використовуючи додаткову енергію, ці активні системи менш економічно ефективні, ніж пасивні системи.

матеріали

• Сонячна енергія
• Сонячний колектор
• Електрична енергія
• Електричний насос
• Додаткові трубопроводи
• Ізоляція
• Вода
• Резервуар для зберігання

вартість

• Дослідження 2007 року показують, що активні термосифонні водонагрівачі можуть коштувати від 1200 до 10 500 доларів. Ціни можуть змінюватися залежно від розміру бака, вимог до внутрішніх трубопроводів, сонячного випромінювання та географічного розташування.
• Багато країн, штатів та комунальних служб пропонують стимули для участі у сфері відновлюваної енергетики

плюси

• Економія грошей
• Економічно ефективний
• Естетика - Резервуар-накопичувач не розміщено на даху
• Зменшення викидів парникових газів – за умови належної ізоляції, вона потенційно забруднює навколишнє середовище так само мало, як пасивні системи.

Мінуси

• Споживає більше енергії, ніж пасивна система
• Потребує більше обслуговування, ніж пасивна система
• Втрати тепла – під час передачі тепла від сонячного колектора до резервуара-акумулятора, розташованого нижче
• Забруднює деякі – через використання електроенергії
• Розташування – має бути розташоване в зоні з відповідним сонячним освітленням (тобто на південній стороні бажаної ділянки)

Пасивний повітрообмін

Прикладом пасивної сонячної теплової системи опалення є термосифонний теплообмін . Він базується на принципі природної конвекції, за якої повітря або вода циркулюють у вертикальному замкнутому контурі без використання насоса. Холодне повітря в приміщенні проходить через вентиляційний отвір і спрямовується у отвір у нижній частині сонячного колектора. Повітря, що міститься в сонячному колекторі, потім нагрівається сонцем за допомогою сонячного випромінювання. Холодне повітря має щільність і опускається, тоді як тепле повітря має меншу щільність і піднімається. Коли повітря нагрівається в сонячному колекторі, воно стає менш щільним, ніж холодніше повітря, і піднімається. Тепле повітря піднімається через вентиляційний отвір у верхньому отворі сонячного колектора, переміщується в потрібну зону (тобто в приміщенні) і замінюється холоднішим повітрям. Цей процес повітрообміну триватиме доти, доки температура повітря в приміщенні не досягне рівноваги з температурою на вулиці.

матеріали

• Сонячний колектор – чим більший сонячний колектор, тим краще.
• Рамка
  • 6 вертикальних дощок розміром 2 на 6 дюймів - Серванти
  • Дошки 2 на 6 та 2 на 8 – верхній підвіконня
  • Шурупи для кріплення – рекомендовані, але не обов'язкові
• Глазур
  • Гофровані полікарбонатні панелі
  • 10 панелей - 26 дюймів завширшки та 8 футів заввишки
  • Пари панелей, що перекриваються на вертикальній дерев'яній смузі розміром 1 на 1 дюйм - створює панелі шириною 4 фути для кожного відсіку
  • Ультрафіолетове покриття – наносити на сонячну сторону для подовження терміну служби
• Сонячна абсорбційна пластина
  • 2-шарова чорна металева віконна сітка - кріпиться зверху та знизу секцій
• Вентиляційні отвори
  • Отвори, прорізані в сайдингу будівлі - пластикові клапани запобігатимуть зворотному потоку повітря через верхні вентиляційні отвори вночі.

вартість

• Дослідження 2007 року показують, що пасивні теплообмінники можуть коштувати від 55,00 до 400 доларів. Ціни можуть змінюватися залежно від розміру колектора/колекторів, ізоляції площі, що обігрівається, впливу сонячного світла та географічного розташування.
• Багато країн, штатів та комунальних служб пропонують стимули для участі у сфері відновлюваної енергетики

плюси

• Низька вартість
• Енергозбереження
• Зменшення забруднення
• Може використовуватися для охолодження електроніки

Мінуси

• Посилений догляд (наприклад, покриття під час низької сонячної радіації)
• Географічне розташування може вплинути на ефективність
• Потрібне ручне закриття зворотних заслінок вночі
• Бажано розстрочку з південної сторони

Пов'язані проекти

посилання

• Національна лабораторія відновлюваної енергетики (NREL) Динамічні карти, дані ГІС та інструменти аналізу – Сонячні карти (2007) Доступно: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
• Citarella, Joe. «Термосифони – кращий підхід до охолодження процесора?» Overclockers. 5 серпня 2005 р. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
• Рейса, Гері. «Зробіть простий сонячний обігрівач». Новини Матері-Землі. Січень 2006 р. http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
• «Частина 2: Огляд застосувань відновлюваної енергії». http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
• Мірмов, Н.І., Белякова, І.Г. «Виділення тепла під час конденсації пари в термосифоні». Журнал інженерної фізики 43(3), с. 970-974, 1982.
• Конструкція та характеристики компактного термосифона. Аніруддха, П., Йогендра, Дж., Бейтельмал, М., Патель, К., Венгер, Т. Школа машинобудування Вудраффа. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf

Зовнішні посилання

• Вікіпедія:Термосифон