Thermosiphon

Ein Thermosiphon ist ein Gerät, das auf passivem Wärmeaustausch durch natürliche Konvektion basiert und ein Fluid ohne mechanische Pumpe zirkulieren lässt. Thermosiphoning wird zur Zirkulation von Flüssigkeiten und flüchtigen Gasen in Heiz- und Kühlanlagen wie Wärmepumpen, Warmwasserbereitern, Heizkesseln und Öfen eingesetzt. Auch bei Temperaturgradienten in der Luft, wie sie beispielsweise in einem Holz- oder Solarkamin auftreten, findet Thermosiphoning statt .

Diese Zirkulation kann entweder als offener Kreislauf erfolgen, bei dem der Stoff in einem Vorratstank über ein beheiztes Förderrohr am Tankboden in eine Richtung zu einem Verteilerpunkt – auch oberhalb des Ursprungstanks – geleitet wird, oder als vertikaler geschlossener Kreislauf mit Rückführung zum ursprünglichen Behälter. Ziel ist es, die Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen zu vereinfachen und gleichzeitig die Kosten und Komplexität einer herkömmlichen Pumpe zu vermeiden.

Die natürliche Konvektion der Flüssigkeit beginnt, sobald durch Wärmezufuhr eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Kreislaufs entsteht. Aufgrund der Wärmeausdehnung bedingt diese Temperaturdifferenz auch eine Dichtedifferenz innerhalb des Kreislaufs. Die wärmere Flüssigkeit auf der einen Seite ist weniger dicht und daher leichter als die kühlere Flüssigkeit auf der anderen Seite. Die wärmere Flüssigkeit steigt über die kühlere, und die kühlere Flüssigkeit sinkt unter die wärmere. Dieses Phänomen der natürlichen Konvektion ist unter dem Sprichwort „Wärme steigt auf“ bekannt. Die Konvektion transportiert die erwärmte Flüssigkeit im System nach oben, während sie gleichzeitig durch kühlere, durch die Schwerkraft zurückfließende Flüssigkeit ersetzt wird. Ein gut funktionierendes Thermosiphonsystem weist einen sehr geringen hydraulischen Widerstand auf, sodass die Flüssigkeit unter dem relativ niedrigen Druck, der durch die natürliche Konvektion entsteht, leicht fließen kann.

In manchen Situationen kann der Flüssigkeitsfluss weiter reduziert oder ganz gestoppt werden, beispielsweise weil der Kreislauf nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist. In diesem Fall findet keine Konvektion mehr statt, es handelt sich also nicht mehr um ein gewöhnliches Thermosiphon.

In diesem System kann Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Dampf übertragen werden ; korrekterweise wird es jedoch als Wärmerohr- Thermosiphon klassifiziert. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Enthält das System zusätzlich andere Fluide wie Luft, ist die Wärmestromdichte geringer als in einem realen Wärmerohr, das nur einen einzigen Stoff enthält.

Das Thermosiphon wurde mitunter fälschlicherweise als „Schwerkraftrückführungs-Wärmerohr“ bezeichnet. ^{[ 3 ]} Wärmerohre besitzen üblicherweise einen Docht, um das Kondensat mittels Kapillarwirkung zum Verdampfer zurückzuführen . Beim Thermosiphon ist kein Docht erforderlich, da die Flüssigkeit durch die Schwerkraft transportiert wird. ^{[ 4 ]} Der Docht ermöglicht es Wärmerohren, Wärme auch in der Schwerelosigkeit zu übertragen, was im Weltraum von Nutzen ist. Ein Thermosiphon ist „einfacher“ aufgebaut als ein Wärmerohr. ^{[ 5 ]}

(Einphasen-)Thermosiphons können Wärme nur „nach oben“, also vom Beschleunigungsvektor weg, transportieren. Daher ist die Ausrichtung bei Thermosiphons wesentlich wichtiger als bei Wärmerohren. Außerdem können Thermosiphons durch Luftblasen im Kreislauf ausfallen und benötigen daher einen geschlossenen Rohrkreislauf.

Wenn die Rohrleitungen eines Thermosiphons dem Durchfluss widerstehen oder zu viel Wärme zugeführt wird, kann die Flüssigkeit sieden. Da Gas einen höheren Auftrieb als Flüssigkeit hat, ist der Konvektionsdruck größer. Dies ist eine bekannte Erfindung, die als Verdampfer bezeichnet wird . Eine Gruppe von Verdampfern, die an zwei Plenas angeschlossen sind , wird als Kalander bezeichnet. Unter bestimmten Umständen, beispielsweise im Kühlsystem eines älteren Autos (vor 1950), führt das Sieden der Flüssigkeit zum Ausfall des Systems, da das entstehende Dampfvolumen zu viel Wasser verdrängt und die Zirkulation zum Erliegen kommt.

Die Bezeichnung „Phasenwechsel-Thermosiphon“ ist irreführend und sollte vermieden werden. Tritt in einem Thermosiphon ein Phasenwechsel auf, bedeutet dies, dass das System entweder nicht genügend Fluid enthält oder zu klein ist, um die gesamte Wärme allein durch Konvektion zu übertragen. Um die Leistung zu verbessern, wird entweder mehr Fluid benötigt (möglicherweise in einem größeren Thermosiphon), oder alle anderen Fluide (einschließlich Luft) müssen aus dem Kreislauf abgepumpt werden.

Thermosiphons werden in einigen flüssigkeitsbasierten Solarheizsystemen zur Erwärmung von Flüssigkeiten wie Wasser eingesetzt . Das Wasser wird passiv durch Sonnenenergie erwärmt , indem Wärmeenergie von der Sonne auf einen Solarkollektor übertragen wird . Die Wärmeübertragung vom Kollektor auf das Wasser kann auf zwei Arten erfolgen: direkt durch Zirkulation des Wassers im Kollektor oder indirekt , indem eine Frostschutzlösung die Wärme vom Kollektor transportiert und über einen Wärmetauscher an das Wasser im Speicher abgibt . Durch Konvektion wird die erwärmte Flüssigkeit aus dem Solarkollektor durch kältere, wiederum erwärmte Flüssigkeit ersetzt. Aus diesem Grund muss das Wasser in einem Speicher oberhalb des Kollektors aufbewahrt werden. ^{[ 6 ]}

In Gebieten mit traditionell hohem Permafrostboden können Thermosiphons eingesetzt werden, um den durch das Auftauen des Permafrosts verursachten geologischen Belastungen der Fundamente von Gebäuden, Pipelines und anderen Bauwerken entgegenzuwirken. ^{[ 7 ]} Eine 2006 vom Ölkonzern ConocoPhillips veröffentlichte Studie berichtet, dass sich der Permafrost in Alaska, auf dem ein Großteil der Infrastruktur des Bundesstaates errichtet ist, seit 1982 aufgrund rekordverdächtiger Temperaturen verschlechtert hat. ^{[ 8 ]} Laut dem Alaska Climate Research Center der University of Alaska Fairbanks stieg die durchschnittliche Jahrestemperatur in Alaska zwischen 1949 und 2018 um 4,0 Grad Fahrenheit, wobei der Anstieg im Winter 7,2 Grad Fahrenheit betrug. ^{[ 9 ]}

Thermosiphons werden zur Wasserkühlung interner Computerkomponenten eingesetzt ^{[ 10 ]} , am häufigsten des Prozessors . Obwohl jede geeignete Flüssigkeit verwendet werden kann, ist Wasser die am einfachsten zu handhabende Flüssigkeit für Thermosiphonsysteme. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserkühlsystemen benötigen Thermosiphonsysteme keine Pumpe, sondern nutzen die Konvektion, um das erwärmte Wasser (das verdampfen kann) von den Komponenten nach oben zu einem Wärmetauscher zu transportieren. Dort wird das Wasser abgekühlt und kann wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden. Der am häufigsten verwendete Wärmetauscher ist ein Radiator , in dem Lüfter aktiv Luft über eine vergrößerte Oberfläche blasen, um den Dampf zu kondensieren. Die dichtere Flüssigkeit sinkt ab und zirkuliert so im System, wodurch der Prozess wiederholt wird. Eine Pumpe ist nicht erforderlich. Der Verdampfungs- und Kondensationszyklus wird durch den Temperaturunterschied und die Schwerkraft angetrieben.

Ohne ausreichende Kühlung kann ein moderner Prozessorchip schnell Temperaturen erreichen, die zu Fehlfunktionen führen. Selbst mit einem herkömmlichen Kühlkörper und Lüfter können typische Betriebstemperaturen von Prozessoren bis zu 70 °C erreichen. Ein Thermosiphon kann Wärme über einen deutlich größeren Temperaturbereich effizient abführen und die Prozessortemperatur typischerweise 10–20 °C niedriger halten als ein herkömmlicher Kühlkörper mit Lüfter. In manchen Fällen kann ein Thermosiphon auch mehrere Wärmequellen abdecken und ist vom Design her kompakter als ein entsprechend dimensionierter herkömmlicher Kühlkörper mit Lüfter.

Thermosiphons müssen so montiert werden, dass der Dampf aufsteigt und die Flüssigkeit zum Kessel abfließt. Die Rohrleitungen dürfen keine Knicke aufweisen, in denen sich Flüssigkeit ansammeln könnte. Der Ventilator des Thermosiphons, der das Gas kühlt, benötigt zudem Kühlluft. Das System muss absolut luftdicht sein; andernfalls funktioniert der Thermosiphon-Effekt nicht und das Wasser verdampft nur innerhalb kurzer Zeit.

Frühe Autos, Kraftfahrzeuge und motorbetriebene Land- und Industriegeräte nutzten die Thermosiphon-Kühlung, um Kühlwasser zwischen Zylinderblock und Kühler zu transportieren. Diese Kühlmethode beruht darauf, dass ausreichend kühle Luft am Kühler vorbeiströmt, um einen ausreichenden Temperaturunterschied zu gewährleisten. Die Luftbewegung wurde durch die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs und mithilfe von Lüftern erzeugt. Mit steigender Motorleistung war ein höherer Wasserdurchfluss erforderlich, weshalb motorbetriebene Pumpen zur Unterstützung der Zirkulation hinzugefügt wurden. Kompaktere Motoren verwendeten kleinere Kühler und benötigten komplexere Strömungsmuster, sodass die Wasserzirkulation vollständig von der Pumpe abhängig wurde und sogar entgegen ihrer natürlichen Richtung erfolgen konnte. Ein Motor, der sein Kühlwasser ausschließlich per Thermosiphon zirkuliert, neigt bei längerem Leerlauf oder sehr langsamer Fahrt zur Überhitzung, da der fehlende Vorwärtsantrieb zu wenig Luftstrom am Kühler erzeugt, es sei denn, ein oder mehrere Lüfter können ausreichend Luft bewegen. Thermosiphon-Systeme reagieren zudem sehr empfindlich auf einen niedrigen Kühlmittelstand; bereits ein geringer Kühlmittelverlust führt zum Stillstand der Zirkulation. Ein pumpenbetriebenes System ist deutlich robuster und kann in der Regel einen niedrigeren Kühlmittelstand bewältigen.

Viele Espressomaschinen nutzen ein Thermosiphonsystem, um eine stabile Temperatur aufrechtzuerhalten.

Die Espressomaschine E-61 verfügt über eine Brühgruppe mit Thermosiphon. Diese Brühgruppe ist heutzutage bei vielen Espressomaschinen üblich.

Manche Hebel-Espressomaschinen besitzen eine Doppelwand um den Kolben in ihrer Brühgruppe, die für den Thermosiphon-Effekt sorgt. Ein modernes Beispiel hierfür sind die Maschinen von Londinium.

• Konvektion  – Strömung eines Fluids, die aufgrund heterogener Fluideigenschaften und Volumenkräften auftritt.
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• Wärmerohr  – Wärmeübertragungsgerät, das Phasenübergänge nutzt; Schleifenwärmerohr  – Zweiphasen-Wärmeübertragungsgerät
• Passive Solarenergie  – Architekturtechnik, die die Sonnenwärme ohne elektrische oder mechanische Systeme nutztSeiten mit Kurzbeschreibungen der Weiterleitungsziele
• Verdampfer  – Wärmetauschertyp
• Siphon  – Vorrichtung, die den Fluss von Flüssigkeiten durch Röhren nutzt.
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• Wasserkühlung  – Methode zur Wärmeabfuhr von Bauteilen und IndustrieanlagenSeiten mit Kurzbeschreibungen der Weiterleitungsziele
• Thomas Fowler (Erfinder)

• HP Labs-Bericht über Thermosiphons zur Computerkühlung (PDF)