תרמוסיפון

תרמוסיפון (באנגלית: Thermosiphon; ביוונית עתיקה: θέρμη – חום, σίφων – סיפון, צינור) הוא שמם של אמצעי ותופעה 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.

הסבר התופעה

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 משקל הסגולי של החומר המציף לבין המשקל הסגולי של החומר הצף.

במקרה של נפח נוזל חם בתוך סביבה קרה

עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle F=Vg\rho _{c}-Vg\rho _{h}=Vg(\rho _{c}-\rho _{h})}

• ${\displaystyle V}$ נפח הגוף הצף.
• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \rho} משקל סגולי, משתנה כתלות בטמפרטורה.
• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} תאוצת הכובד.

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

• ${\displaystyle A}$ ההיטל האופקי של שטח החתך של הצינור.
• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle H} הפרש הגבהים בין נקודת הכניסה לנקודת היציאה.

עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle F=HAg(\rho_c-\rho_h)}

הלחץ שהנוזל מפעיל כלפי מעלה כתוצאה מהציפה: עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle P=\frac{F}{A}=g(\rho_c-\rho_h)}

ביטוי הלחץ ביחידות של עומד הידראולי נותנת עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h_f=2H\frac{\rho_c-\rho_h}{\rho_c+\rho_h}}

העומד הידראולי ${\displaystyle h_{f}={\frac {P}{\rho g}}}$

אפשר לבטא את הלחץ לפי הטמפרטורה של הנוזל, על ידי הצבת צפיפות החומר עם התלות שלהם בטמפרטורה עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle h_{f}=2H\Delta T\beta }

• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \beta} מקדם התפשטות תרמית
• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta T=T_i-To} שינוי הטמפרטורה לאורך או לגובה הצינור
• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T_i} טמפרטורת הכניסה לתחתית הצינור (כגון תחתית קולט שמש).
• ${\displaystyle T_{o}}$ 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 עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle 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. בהנחה של זרימה שכבתית (למינרית), הספיקה היא

${\displaystyle Q={\frac {\pi \rho gd^{4}h_{f}}{128\mu L}}}$^[1]

• ${\displaystyle \mu }$ צמיגות מוחלטת.
• ${\displaystyle d}$ קוטר פנימי של הצינור.
• עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 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.

• ${\displaystyle \rho =992{\frac {kg}{m^{3}}}}$
• שינוי הצפיפות 2/992
• ${\displaystyle g=9.81{\frac {m}{s^{2}}}}$
• ${\displaystyle \mu =0.65\cdot 10^{-3}{\frac {s}{m^{2}}}}$^[2]

ונקבל ${\displaystyle h_{f}=0.5\cdot {\frac {2}{992}}\cdot {\bigl (}1.4\cos(45){\bigr )}^{2}=0.001m}$

הספיקה עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Q=\frac{3.14\cdot992\cdot9.81\cdot0.01^4\cdot0.001}{128\cdot0.65\cdot10^{-3}\cdot1.4}=1.32\cdot10^{-6}\frac{m^3}{s}=9.5\frac{\text{liter}}{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

דוד שמש

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

צינור הנפט מאלסקה – מבט מקרוב על HEAT PIPE

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. 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.

קישורים חיצוניים

קובץ:Commons-logo.svg ראו מדיה וקבצים בנושא זה בוויקישיתוף.

הערות שוליים