تألیف و ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون



 
چندین سال پیش نوع جدیدی از آب‌گرم‌کن خورشیدی ابداع شد که دارای مشخصات جالبی است از جمله مقاومت در برابر یخ زدن، بازدهی خیلی خوب، شکل ظاهری مناسب، و قیمت نسبتاً ارزان. این آب‌گرم‌کن دارای قطعات متحرک (یا حتی الکترونیکی) نیست. جریان حرکت سیالِ عامل در سیستم به آرامی انجام می‌شود. اساس حرکت خودبه‌خودی سیال عامل در این آب‌گرم‌کن همان پدیده‌ی طبیعی «آب‌فشان» است. ابداع این سیستم در حقیقت از سی سال پیش آغاز شد و این زمانی بود که فیزیک‌دانی به نام الدن هینس با همکارش به مطالعه درباره‌ی پدیده‌ی «حرکت آب‌فشان» پرداخت. این پدیده را به طور مختصر چنین تعریف می‌کنند: وقتی سیال می‌جوشد، نیروی حاصل از فشار بخار آن، مایع را به همراه حباب‌های گاز به بالا می‌راند.
تاکنون انواعی از گردآورنده‌های خورشیدی را بر اساس «حباب‌های بالابر» ساخته‌اند ولی همواره مشکلاتی در کار بوده است. هینس و همکارانش این مشکلات را یکی پس از دیگری برطرف کردند و او سرانجام در سال 1984 میلادی تکنیک حرکت «آب‌فشان» را به ثبت رساند. این دستگاه سیستمی مداربسته و پر از مایع دارد. بر اثر تابش نور خورشید به لوله‌های بالابرنده‌ی داخل صفحه‌ی گردآورنده (جاذب گرما) – که با لعاب شفاف اندوده شده است – مایع داخل لوله‌ها گرم می‌شود. این گرما در مبدل گرمایی به آب مصرفی منتقل می‌شود.
دستگاه به این دلیل در برابر یخ زدن مقاوم است که از محلول پانزده درصد متانول – آب در مدار آن استفاده می‌شود. دلیل استفاده از متانول این است که تنها ماده‌ای است که ویژگی‌های مناسب این کار را دارد. این ویژگی‌ها عبارتند از: لِزجَت (یا ویسکوزیته‌ی) نسبتاً پایین، نقطه‌ی جوش و انجماد پایین، ظرفیت زیاد گرمایی، و آهنگ زیاد تغییر فشار بر اثر تغییر دما. هم‌چنین محلول در سرمای زیاد به صورت سیال باقی می‌ماند و در صورت انجماد منبسط نمی‌شود و بنابراین لوله‌ها نمی‌ترکند. اما متانول ماده‌ای سمی است، و به همین دلیل برای جلوگیری از نشت آن به داخل آب مصرفی از مبدل دوجداره استفاده می‌شود.
داخل سیستم از هوا تخلیه می‌شود تا محلول متانول در دمایی نسبتاً پایین (در حدود هجده درجه‌ی سانتیگراد) بجوشد. این کار سبب افزایش کارایی سیستم می‌شود، زیرا هرچه دمای کار کم‌تر باشد گرمای کم‌تری از صفحه‌ی گردآورنده به محیط پس داده می‌شود. برای به وجود آوردن گردش مناسب محلول متانول – آب در مدار بر اساس پدیده‌ی آب‌فشان، طراحان مجموعه‌ای از لوله‌های بالابرنده و لوله‌ی اصلی را در فاصله‌ی بیست و پنج سانتیمتری بالای صفحه‌ی گردآورنده (جاذب) تعبیه کردند. به این ترتیب فشار لازم برای پایین راندن مایع به سمت مبدل (که پایین‌تر از آب‌گرم‌کن و در داخل خانه قرار دارد) و برگشت آن به طرف بالا بدون نیاز به پمپ و شیر، تأمین می‌شود. مخزن آب را می‌توان تا ده متر پایین‌تر از گردآورنده قرار داد. این گردش طبیعی مایع تا زمانی که صفحه‌ی گردآورنده (جاذب) گرم‌تر از مخزن ذخیره‌ی آب است ادامه می‌یابد.
اگرچه اساس گردش طبیعی پدیده‌ی آب‌فشان ساده است، عملی کردن این سیستم در دنیای واقعیت آسان نبود. یکی از مشکلات این بود که در هر دیگ بخارِ مدار بسته‌ای پس از آن که مایع داخل آن شروع به جوشیدن کرد، برای ادامه‌ی جوشیدن می‌بایست دمای آن را افزایش داد. مسأله این است که به تدریج تعداد نقاط هسته‌بندی کاهش می‌یابد. این نقاط، محل تشکیل حباب در پیرامون اجسام خارجی‌اند، که در این مورد، حباب‌های هوا به عنوان جسم خارجی عمل می‌کنند. هرچه هوای بیش‌تری در محلول حل شود، جوشاندن آن مشکل‌تر می‌شود. پس مسأله این است که دمای مایع بالاتر از نقطه‌ی جوش آن است اما تبخیر نمی‌شود.
گروه تحقیق در حالی که به دنبال راه حل مشکل دیگری می‌گشت، راه حل این مشکل را پیدا کرد. آن‌ها می‌خواستند اندازه‌ی گلویی لوله‌های بالابرنده را کوچک‌تر کنند تا حباب‌ها بهتر بالا بروند. خواستند لوله‌ی کوتاه‌تری را در داخل و در فاصله‌ی یک سوم طول لوله‌ی بالابرنده قرار دهند. با این کار، لایه‌ی نازک و ساکنی بین دو لوله باقی ماند. محققان دریافتند که این مایع به سرعت می‌جوشد و به بخار داغ تبدیل می‌شود و نقاط هسته‌بندی بیش‌تری برای تشکیل حباب‌های بیش‌تر به وجود می‌آورد.
ظرفیت این آب‌گرم‌کن برای تأمین آب گرم مصرفی یک خانواده‌ی سه چهار نفری در طول تابستان کافی است. برای استفاده‌ی کامل در سراسر سال، باید نوع بزرگ‌تری از آن را به کار برد و گردآورنده‌ی اضافی تعبیه کرد.
آب مصرفی در اطراف مبدل گرمایی جریان دارد، و گردش آن بر اساس جریان ترموسیفون است، به این صورت که آب گرم شده در داخل لوله از طریق لوله کشی به نقاط مصرف هدایت می‌شود. با توجه به این که انتقال گرما از جسم گرم به جسم سرد انجام می‌گیرد، آب گرم شده به طرف نقاط مصرف که سردترند حرکت می‌کند و آب سرد جای‌گزین آن می‌شود، و این جابه‌جایی با حرکتی آرام و پیوسته ادامه دارد. به این ترتیب در این دستگاه از پمپ برای گردش سیال استفاده نمی‌شود.
توضیح شکل: انرژی خورشیدیِ جذب شده در صفحه‌ی گردآورنده (جاذب)، مایع (محلول متانول – آب) را در مجرای باریکی در فاصله‌ی بین لوله‌های داخلی و خارجی گرم می‌کند و به جوش می‌آورد. این تحول در یک سوم قسمت فوقانیِ صفحه‌ی گردآرنده صورت می‌گیرد. حباب‌های بخار از طرف قسمت تحتانی این مجرا تحت فشار قرار می‌گیرند و عمل هسته‌بندی برای تشکیل حباب‌های بخار بیش‌تر شروع می‌شود. به زودی در آن محل فشار کافی برای به حرکت درآوردن ستون مایع فوقانی به سمت لوله‌ی اصلی و همراه با پیدایش ناگهانی بخار، تأمین می‌شود.
لوله‌های بالابرنده تا حدود نیمه‌ی داخلی لوله‌ی اصلی ادامه یافته‌اند، و لبه‌ی حاصل از این برجستگی مانع برگشت مایع به داخل لوله‌های بالا برنده می‌شود. لوله‌ی اصلی در قسمت فوقانی و در یک طرف طوری قرار گرفته است که مایع داغ به داخل لوله‌ی متصل به مبدل گرمایی جریان می‌یابد. مادامی که مایع گرم شده‌ی فوقانی روی مایع قبلی به صورت یک توده فشار وارد می‌کند، این فشار سبب حرکت ستون مایع به طرف مبدل می‌شود، و پس از تبادل گرما در داخل مبدل از طریق لوله‌ی عمودیِ برگشت وارد چگالنده (تقطیر کننده) می‌شود. ضمناً بخار قسمت فوقانی لوله‌ی اصلی به دلیل مکش حاصل از چگالنده بر اثر برگشت مایع سرد شده و بر اثر ایجاد سطح کم‌فشار در آن‌جا، به سمت بالا حرکت می‌کند. بخار در برخورد با مایع سرد تقطیر می‌شود و کل سیال به طرف لوله‌ی پایین صفحه‌ی گردآورنده جریان می‌یابد، و فرایند تکرار می‌شود.