תרמוסיפון

תרמוסיפון (באנגלית:thermosiphon או thermosyphon) הוא שם של אמצעי או תופעה פיזיקלית תרמודינמית של הסעת חומר נוזלי או גזי והעברת חום ללא משאבה. בגזים התופעה נקראת בשם אפקט ארובה. תרמוסיפון משמש לסחרור נוזלים או גזים במערכות חימום או קירור כגון דוד שמש, משאבת חום, הסקה, צינורות קירור, ארובת שמש Solar_chimney, או Solar_updraft_tower
התופעה נקראת גם בשם Stack effect, Flue-gas stack, Chimney effect

המונח תרמוסיפון מקובל לשימוש בעיקר במערכות נוזלים, ושאר השמות בעיקר למערכות גזים.

אטימולוגיה

ביוונית עתיקה θέρμη תרמא פירוש חום, σίφων סיפון פירוש צינור

הסבר התופעה

הכח המניע של תרמוסיפון הוא הציפה של הזורם החם על פני הזורם הקר. ברוב החומרים צפיפות החומר יורדת עם עליית הטמפרטורה, כתוצאה הזורם הקל יותר עולה למעלה בכוח ששיעורו יחסי ישר להפרש בצפיפות החומר. בתנאים של זרימה איטית בלחץ נמוך, השפעת הכוחות על הנפח הסגולי של הזורם היא קטנה, הפרש הלחצים בין חלקו העליון לחלקו התחתון של הצינור או הארובה

$\Delta P=\;C\,P_{a}tm\;h\;{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}$

C = מקדם הגרר האווירודינמי (עבור גזים) או ההידרודינמי (עבור נוזל)
P_atm = הלחץ מחוץ לארובה, או הלחץ בצד הקר של הצינור
H = גובה הארובה או הפרש הגבהים בין הצד התחתון לצד העליון של הצינור
T_0 = טמפרטורה מוחלטת (בקלווין או רנקין) מחוץ לארובה, או של הצד הקר
T_i = טמפרטורה מוחלטת ממוצעת של הזורם בתוך הארובה או הצינור

הספיקה נקבעת על ידי הנוסחה

$Q=C\;A\;{\sqrt {2\;g\;h\;{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}$

A = שטח החתך של הצינור או הארובה
ערך אופייני של C , מקדם הגרר בארובות הוא 0.6 עד 0.7 הנוסחאות לא כוללות השפעות של שינוי הלחץ החיצוני, של חימום או קירור של האורבה או צינורות, של רוחות ועוד. במקרה של ארובות גבוהות או לחצי שריפה גבוהים, הנוסחאות שימושיות רק כקרוב גס.

שימושים ויישומים

ארובות

ארובה משמשת לשני תפקידים בו זמנית, האחד לסלק גזים שרופים מקמין, תנורים, מנועים ועוד. והשני, משיכת האויר המשמש לבעירה. עוצמת המשיכה היא לפי הנוסחאות דלעיל. במקרים רבים הארובה היא הכוח המניע היחיד לאספקת אויר לבעירה. שימוש במפוחים ומשאבות מצמצם את תפקיד הארובה כמניע לאספקת האויר.

טיטאניק – ארובות ענק הן מאפיין של אמצעי הנעה של ראשית המאה ה-20

ככל שהארובה גבוהה יותר, משיכת האויר חזקה יותר. ארובות בגובה של מאות מטרים נבנות משיקולי איכות הסביבה, כדי שהגזים השרופים יתפזרו טוב יותר. ארובות בדרך כלל עטופות בבידוד תרמי, וזאת כדי שהגז באורבה לא יתקרר. כפי שרואים בנוסחות, המשיכה של הארובה גבוהה ככל שהטמפרטורה בתוך הארובה גבוהה יותר. קירור הגז בארובה עלול להביא להיפוך כיוון הזרימה, עד כדי כניסת גזים שרופים חזרה לחלל הבעירה או לחדר בו נמצא קמין. החתך האופייני לארובות גבוהות, הולך וקטן עם הגובה, הארובה נראית כמו קונוס קטום. התכנון הזה נובע משיקולים של מכניקת הזורמים ותרמודינמיקה, וגם, במידה פחותה, משיקולים של חוזק המבנה. הגז עולה בארובה אל האויר הפתוח, שהוא בלחץ נמוך יותר מאשר בבסיס הארובה, ירידת הלחץ גורמת לקירור האויר , ובהתאם אפקט התרמוסיפון נחלש. הצרת החתך שומרת על לחץ מספיק גבוה כדי שהטמפרטורה לא תרד יותר מדי.

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.

ביניינים

מכיוון ובניין בדרך כלל אינו אטום, הרי שבמזג אויר חם תיווצר תנועת אויר מחלקו התחתון של הבניין אל עבר הגג

התופעה מורגשת במיוחד בימים חמים – תנועה של אויר קריר במעלה המדרגות. לתופעה יש השלכה במקרה של שריפה המבנה האופייני של חאן (מבנה) מנצל את התופעה כדי להשיג איוורור טבעי. השמש מכה על חצר החאן, האוויר החם עולה ויוצא מתחום החאן, כי מעל החצר אין גג, ובמקומו נכנס אויר קר יותר, מהפתחים שבהיקף החאן, משב הרוח מקל על עומס החום.

חאן אל-עומדאן בעכו

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.