תרמוסיפון

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

תרמוסיפוןאנגלית:thermosiphon או thermosyphon) הוא שם של אמצעי או תופעה פיזיקלית תרמודינמית של הסעת נוזל והעברת חום ללא משאבה. תופעה דומה בגזים נקראת אפקט ארובה.

תרמוסיפון מסחרר נוזלים במערכות חימום או קירור כגון דוד שמש, משאבת חום, הסקה, צינורות קירור.

אטימולוגיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביוונית עתיקה θέρμη תרמא פירוש חום, σίφων סיפון פירוש צינור.

הסבר התופעה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הכוח המניע של תרמוסיפון הוא הציפה של זורם חם על פני זורם קר. ברוב החומרים צפיפות החומר יורדת עם עליית הטמפרטורה, כתוצאה הזורם הקל יותר עולה למעלה בכוח ששיעורו יחסי ישר להפרש בצפיפות החומר.
לפי חוק ארכימדס, הכוח המציף של גוף השקוע בנוזל = משקל הנוזל אותו דוחה הגוף פחות משקל הגוף = נפח הגוף כפול הפרש בין המשקל סגולי של החומר המציף לבין המשקל הסגולי של החומר הצף.
במקרה של נפח נוזל חם בתוך סביבה קרה F=Vg \rho_c-Vg\rho_h=Vg\left(\rho_c-\rho_h\right) כאשר:

אם נתייחס לצינור, אחד מני רבים בתוך קולט של דוד שמש:

  • A ההיטל האופקי של שטח החתך של הצינור.
  • H הפרש הגבהים בין נקודת הכניסה לנקודת היציאה.

F=H A g \left(\rho_c - \rho_h\right)

הלחץ שהנוזל מפעיל כלפי מעלה כתוצאה מהציפה: P={F \over A}= g \left(\rho_c - \rho_h\right)

ביטוי הלחץ ביחידות של עומד הידראולי נותנת

h_f=2 H \frac{\rho_c-\rho_h}{\rho_c+\rho_h}

העומד הידראולי h_f= P/ \rho g

אפשר לבטא את הלחץ לפי הטמפרטורה של הנוזל, על ידי הצבת צפיפות החומר עם התלות שלהם בטמפרטורה h_f=2 H \Delta T \beta

  • \beta מקדם התפשטות תרמית
  • \Delta T=T_i-To שינוי הטמפרטורה לאורך או לגובה הצינור
  • T_i טמפרטורת הכניסה לתחתית הצינור (כגון תחתית קולט שמש).
  • T_o טמפרטורת היציאה מהצד העליון של הצינור (כניסה למיכל של דוד השמש).

אופייני למערכות תרמוסיפוניות הוא שהטמפרטורה עולה לאורך הצינור באופן הדרגתי, פילוג הטמפרטורה לאורך הצינור הוא אחיד (ניתן לייצוג במשוואה לינארית) ולכן ההתפשטות התרמית ובהתאם גם הלחץ קטנים פי שניים h_f = H \frac{\rho_c-\rho_h}{\rho_c+\rho_h}=H \Delta T \beta


הלחץ מניע זרימה שעוצמתה תלויה בחיכוך. מכיוון ומערכות תרמוסיפוניות הן סגורות, אין צורך להתגבר על הכבידה(גרוויטציה). בהנחה של זרימה שכבתית (למינרית), הספיקה היא

Q=\frac{\pi \rho g d^4 h_f}{128\mu L}[1]
כאשר :

  • \mu צמיגות מוחלטת.
  • d קוטר פנימי של הצינור.
  • L אורך הצינור, במערכת כגון דוד שמש, אורך הצינור גדול יותר מאשר הפרש הגבהים.

נציב ערכים מתאימים למים בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס, המתחממים לאורך הקולט ב-5 מעלות נוספות, בצינור בקוטר 10 מ"מ, בקולט באורך נטו 1.40 מטר, הנוטה בזווית של 45 מעלות.

  • \rho = 992 kg/m^3
  • שינוי הצפיפות 2/992
  • g = 9.81 m/s^2
  • \mu = 0.65\cdot10^{-3} s/m^2

[2]

ונקבל h_f=0.5*2/992*(1.4\;cos45)^2 = 0.001\;Meter

הספיקה

Q=\frac{3.14 \cdot 992 \cdot 9.81 \cdot 0.01^4 \cdot 0.001}{128\cdot0.65\cdot 10^{-3}\cdot1.4}=1.32\cdot\; 10^{-6} m^3/s=9.5 Lit/hr

דוגמת החישוב מראה שלחץ נמוך (עומד של מ"מ) מזרים כ-10 ליטרים לשעה, מספיק עבור דוד ביתי רגיל (בקולט יש כ-10 צינורות כאלו). מתקבל מספר ריינולדס של כ-500 ולכן הנחת זרימה שכבתית, ובהתאם חיכוך נמוך, נכונה.

שימושים ויישומים[עריכת קוד מקור | עריכה]

דוד שמש[עריכת קוד מקור | עריכה]

סכימת סחרור מים בדוד שמש באמצעות תרמוסיפון

השמש מחממת את הקולט ולכן המים בקולט חמים מאשר בדוד (מיכל), הקולט מחובר לדוד עם שני צינורות האחד בין החלק העליון של הקולט לצד העליון של הדוד, ואחר בין תחתית הדוד לתחתית הקולט. החמים עולים מהקולט לראש הדוד, ועד שהם מתערבבים עם המים שבדוד, מתקיים הפרש טמפרטורות בין ראש הדוד לתחתיתו, האפקט התרמוסיפוני דוחף את המים אל הקולט, המים מתחממים בקולט, וכתוצאה משקלם הסגולי נמוך מזה של המים שנכנסו זה עתה לקולט, ואפקט התרמוסיפוני מניע את המים אל הדוד. התהליך נמשך כל עוד המים בקולט חמים מאשר בדוד. הדוד חייב להיות גבוה מהקולט.

קירור אדמה[עריכת קוד מקור | עריכה]

תרמוסיפון משמש לקירור האדמה במקומות בהם נחוץ להשאיר את האדמה במצב קפוא, אחרת האדמה תתרכך, והיסודות (בנייה) של מבנים עלולים לשקוע ולהרס. צינור הנפט החוצה את אלסקה מונח על עמודים לאורך אלפי קילומטרים, לכל עמוד מחובר HEAT PIPE

צינור הנפט מאלסקה - מבט מקרוב על HEAT PIPE

הצינור ממולא בפחמן דו-חמצני או אמוניה, החום שבאדמה גורם לאידוי הנוזל, סנפירי הקירור בחלק הצינור שמעל פני האדמה מסלקים את חום האידוי לאטמוספירה וגורמים לעיבוי הגז, הגז יורד צמוד לדפנות הצינור אל התחתית וחוזר חלילה, התהליך התרמוסיפוני מתקיים סמוך לציר הצינור, לאורכו עולה הגז החם, ולאחר העיבוי יורד הנוזל לאורך הדפנות.

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Frank M. White, Fluid Mechanics, 6th Ed, McGraw Hill 2008, p.352 ISBN 978-0-07-128645-9
  2. ^ http://www.engineeringtoolbox.com/water-dynamic-kinematic-viscosity-d_596.html הורד 28.4.2013