תרמוסיפון

תרמוסיפון (באנגלית: Thermosiphon; ביוונית עתיקה: θέρμη תרמא, 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 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:

• $V$ נפח הגוף הצף.
• $\rho$ משקל סגולי, משתנה כתלות בטמפרטורה.
• $g$ תאוצת הכובד.

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.

$F=HAg\left(\rho _{c}-\rho _{h}\right)$

הלחץ שהנוזל מפעיל כלפי מעלה כתוצאה מהציפה: $P={F \over A}=gH\left(\rho _{c}-\rho _{h}\right)$

ביטוי הלחץ ביחידות של עומד הידראולי נותנת

$h_{f}=2H{\frac {\rho _{c}-\rho _{h}}{\rho _{c}+\rho _{h}}}$

העומד הידראולי $h_{f}=P/\rho g$

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

• $\beta$ 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 ליניארית) 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

$Q={\frac {\pi \rho gd^{4}h_{f}}{128\mu L}}$
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.

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

ונקבל $h_{f}=0.5*2/992*(1.4\;cos45)^{2}=0.001\;Meter$

הספיקה

$Q={\frac {3.14\cdot 992\cdot 9.81\cdot 0.01^{4}\cdot 0.001}{128\cdot 0.65\cdot 10^{-3}\cdot 1.4}}=1.32\cdot \;10^{-6}m^{3}/s=9.5Lit/hr$

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

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.