Водяное охлаждение – это метод отвода тепла от узлов и промышленного оборудования. Испарительное охлаждение с использованием воды часто более эффективно, чем воздушное охлаждение . Вода недорогая и нетоксичная; однако он может содержать примеси и вызывать коррозию.
Водяное охлаждение обычно используется для охлаждения двигателей внутреннего сгорания автомобилей и электростанций . Водяные охладители, использующие конвективную передачу тепла, используются внутри высококлассных персональных компьютеров для снижения температуры процессоров и других компонентов.
Другие области применения включают охлаждение смазочного масла в насосах ; для охлаждения в теплообменниках ; для охлаждения зданий в системах отопления, вентиляции и кондиционирования и в чиллерах .
Вода недорогая, нетоксичная и доступна на большей части земной поверхности. Жидкостное охлаждение обеспечивает более высокую теплопроводность, чем воздушное охлаждение. Вода обладает необычно высокой удельной теплоемкостью среди обычных жидкостей при комнатной температуре и атмосферном давлении, что позволяет эффективно передавать тепло на расстояние с низкими скоростями массообмена. Охлаждающую воду можно рециркулировать через рециркуляционную систему или использовать в однопроходной прямоточной системе охлаждения (OTC). Высокая энтальпия испарения воды позволяет использовать эффективное испарительное охлаждение для удаления отработанного тепла в градирнях или прудах-охладителях . [1] Рециркуляционные системы являются открытыми, если они основаны на испарительном охлаждении, или закрытыми , если отвод тепла осуществляется в теплообменниках , то есть с незначительными потерями на испарение. Теплообменник или конденсатор может отделять бесконтактную охлаждающую воду от охлаждаемой жидкости , [2] или контактная охлаждающая вода может напрямую попадать на такие предметы, как пильные полотна, где разница фаз позволяет легко отделить. Экологические нормы подчеркивают пониженную концентрацию отходов в воде бесконтактного охлаждения. [3]
Вода ускоряет коррозию металлических деталей и является благоприятной средой для биологического роста. Растворенные минералы в природных источниках воды концентрируются за счет испарения, образуя отложения, называемые накипью. Охлаждающая вода часто требует добавления химикатов для минимизации коррозии и изоляции отложений накипи и биообрастания. [4]
Вода содержит различное количество примесей, возникших в результате контакта с атмосферой, почвой и контейнерами. Будучи одновременно электрическим проводником и растворителем ионов металлов и кислорода, вода может ускорить коррозию охлаждаемого оборудования. Реакции коррозии протекают быстрее с повышением температуры. [4] Сохранность оборудования в присутствии горячей воды была улучшена за счет добавления ингибиторов коррозии, включая цинк , хроматы и фосфаты . [5] [6] Первые два вызывают опасения по поводу токсичности; [7] и последнее было связано с эвтрофикацией . [8] Остаточные концентрации биоцидов и ингибиторов коррозии представляют потенциальную опасность для безрецептурных систем и выбросов из открытых систем рециркуляции охлаждающей воды. [9] За исключением машин с коротким расчетным сроком службы, закрытые рециркуляционные системы требуют периодической обработки или замены охлаждающей воды, что вызывает аналогичную озабоченность по поводу окончательной утилизации охлаждающей воды, содержащей химические вещества, используемые с предположениями об экологической безопасности закрытой системы. [10]
Биологическое обрастание происходит потому, что вода является благоприятной средой для многих форм жизни. Характеристики потока систем рециркуляционной охлаждающей воды способствуют колонизации сидячими организмами, использующими циркулирующий запас пищи, кислорода и питательных веществ. [11] Температура может стать достаточно высокой для поддержания термофильных популяций организмов, таких как виды грибов . [12] Биологическое обрастание поверхностей теплообмена может снизить скорость теплопередачи в системе охлаждения, а биообрастание градирен может изменить распределение потока, чтобы снизить скорость испарительного охлаждения. Биологическое обрастание может также создавать разную концентрацию кислорода, увеличивая скорость коррозии. Безрецептурные и открытые рециркуляционные системы более подвержены биообрастанию. Биологическое обрастание можно предотвратить путем временной модификации среды обитания. Разница температур может препятствовать созданию термофильных популяций на объектах, работающих с перебоями, а преднамеренные кратковременные скачки температуры могут периодически убивать менее толерантные популяции. Биоциды обычно используются для борьбы с биообрастанием там, где требуется устойчивая работа объекта. [13]
Хлор может быть добавлен в форме гипохлорита для уменьшения биообрастания в системах охлаждающей воды, но позже он восстанавливается до хлорида , чтобы минимизировать токсичность продувочной воды или безрецептурной воды, возвращаемой в естественную водную среду. Гипохлорит становится все более разрушительным для деревянных градирен по мере увеличения pH. Хлорированные фенолы использовались в качестве биоцидов или выщелачивались из консервированной древесины в градирнях. Как гипохлорит, так и пентахлорфенол снижают эффективность при значениях pH выше 8. [14] Неокисляющие биоциды может быть труднее детоксифицировать перед выпуском продувочной или безрецептурной воды в естественную водную среду. [15]
Концентрации полифосфатов или фосфонатов с цинком и хроматами или аналогичными соединениями поддерживаются в системах охлаждения, чтобы поддерживать поверхности теплообмена достаточно чистыми, чтобы пленка из гамма-оксида железа и фосфата цинка могла ингибировать коррозию путем пассивации анодных и катодных точек реакции. [16] Они увеличивают соленость и общее количество растворенных твердых веществ, а соединения фосфора могут обеспечивать ограничивающее необходимое питательное вещество для роста водорослей, способствуя биообрастанию системы охлаждения или эвтрофикации естественной водной среды, получающей продувочную или безрецептурную воду. Хроматы уменьшают биообрастание в дополнение к эффективному ингибированию коррозии в системе охлаждающей воды, но остаточная токсичность в продувочной или безрецептурной воде способствует снижению концентрации хроматов и использованию менее гибких ингибиторов коррозии. [7] Продувка может также содержать хром , выщелоченный из градирен, построенных из древесины, консервированной хромированным арсенатом меди . [17]
Общее количество растворенных твердых веществ или TDS (иногда называемое фильтруемым остатком) указывается как масса остатка, остающегося после испарения измеренного объема фильтрованной воды . [18] Соленость указывает на изменения плотности воды или проводимости , вызванные растворенными веществами. [19] Вероятность образования накипи увеличивается с увеличением общего содержания растворенных твердых веществ. Твердые вещества, обычно связанные с образованием накипи, представляют собой кальций и магний в виде карбоната и сульфата . Скорость коррозии сначала увеличивается с увеличением солености в ответ на увеличение электропроводности, но затем снижается после достижения пика, поскольку более высокие уровни солености снижают уровень растворенного кислорода. [4]
Некоторые грунтовые воды содержат очень мало кислорода при откачке из колодцев, но большинство природных вод содержат растворенный кислород. Увеличение концентрации кислорода ускоряет коррозию. [4] Растворенный кислород приближается к уровню насыщения в градирнях. Это полезно при возврате продувочной или безрецептурной воды в естественную водную среду. [20]
Вода ионизируется на катионы гидроксония (H 3 O + ) и анионы гидроксида (OH - ) . Концентрация ионизированного водорода (в виде протонированной воды) в системе охлаждающей воды обозначается как уровень pH . [21] Низкие значения pH увеличивают скорость коррозии; высокие значения pH способствуют образованию накипи. Амфотеризм редко встречается среди металлов, используемых в системах водяного охлаждения, но скорость коррозии алюминия увеличивается при значении pH выше 9. Гальваническая коррозия может быть серьезной в водных системах с медными и алюминиевыми компонентами. Кислоту можно добавлять в системы охлаждающей воды для предотвращения образования накипи, если снижение pH компенсирует повышенную соленость и растворенные твердые вещества. [22]
Лишь немногие другие системы охлаждения могут сравниться с большими объемами воды, необходимыми для конденсации пара низкого давления на электростанциях . [24] Многие объекты, особенно электростанции, используют миллионы галлонов воды в день для охлаждения. [25] Водяное охлаждение такого масштаба может изменить природную водную среду и создать новую среду. При размещении таких предприятий следует учитывать тепловое загрязнение рек, эстуариев и прибрежных вод. Вода, возвращаемая в водную среду при температуре выше температуры окружающей принимающей воды, изменяет водную среду обитания за счет увеличения скорости биохимических реакций и снижения способности среды обитания насыщать кислородом. Повышение температуры первоначально благоприятствует сдвигу популяций от видов, которым требуется высокая концентрация кислорода в холодной воде, к видам, пользующимся преимуществами повышения скорости метаболизма в теплой воде. [11]
Системы прямоточного охлаждения (OTC) могут использоваться на очень крупных реках или на прибрежных и устьевых участках. Эти электростанции сбрасывают отходящее тепло в реку или прибрежные воды. Таким образом, эти безрецептурные системы полагаются на достаточное количество речной или морской воды для охлаждения. Такие сооружения строятся с водозаборными сооружениями, рассчитанными на прием больших объемов воды с высокой скоростью течения. Эти конструкции также имеют тенденцию притягивать большое количество рыбы и других водных организмов, которые погибают или получают травмы на водозаборных решетках . [26] Большие скорости потока могут задерживать медленно плавающие организмы, в том числе рыбу и креветки, на сетках , защищающих трубки теплообменников малого диаметра от засорения. Высокие температуры или турбулентность насоса и сдвиг могут убить или вывести из строя более мелкие организмы, которые проходят через сетки, увлекаемые охлаждающей водой. [27] : Гл. A2 Более 1200 электростанций и производственных предприятий в США используют безрецептурные системы; [28] : 4–4 водозаборные сооружения ежегодно убивают миллиарды рыб и других организмов. [29] Более проворные водные хищники поедают организмы, попавшие на экраны; а тепловодные хищники и падальщики колонизируют сбросы охлаждающей воды, чтобы питаться захваченными организмами.
Закон США о чистой воде потребовал, чтобы Агентство по охране окружающей среды (EPA) издало правила для промышленных водозаборных сооружений. [30] Агентство по охране окружающей среды выпустило окончательные правила для новых объектов в 2001 году (с поправками в 2003 году), [26] [31] и для существующих объектов в 2014 году. [32]
В качестве альтернативы безрецептурным, промышленные градирни могут использовать рециркуляционную речную воду, прибрежную воду ( морскую воду ) или воду из колодцев. Большие механические градирни с принудительной или принудительной тягой на промышленных предприятиях непрерывно циркулируют охлаждающую воду через теплообменники и другое оборудование, где вода поглощает тепло. Затем это тепло выбрасывается в атмосферу за счет испарения части воды в градирнях, где восходящий воздух контактирует с нисходящей водой. Потери испарившейся воды в выбрасываемый в атмосферу воздух замещаются «подпиточной» пресной речной водой или пресной охлаждающей водой, но количество воды, теряемой при испарительном охлаждении, может повлиять на естественную среду обитания водных организмов. Поскольку испаренная чистая вода заменяется подпиточной водой, содержащей карбонаты и другие растворенные соли, часть оборотной воды постоянно сбрасывается как «продувочная» вода, чтобы свести к минимуму чрезмерное накопление солей в оборотной воде; эти отходы продувки могут изменить качество поступающей воды. [33]
Нагретую смесь охлаждающей жидкости можно использовать для обогрева воздуха в салоне автомобиля с помощью радиатора отопителя . Кроме того, водяная рубашка вокруг двигателя очень эффективно снижает механические шумы, делая двигатель тише.
В открытой системе водяного охлаждения используется испарительное охлаждение , снижающее температуру оставшейся (неиспарившейся) воды. Этот метод был распространен в ранних двигателях внутреннего сгорания, пока не наблюдалось образование накипи из-за растворенных в воде солей и минералов. Современные открытые системы охлаждения постоянно тратят часть оборотной воды на продувку для удаления растворенных твердых веществ в концентрациях, достаточно низких, чтобы предотвратить образование накипи. В некоторых открытых системах используется недорогая водопроводная вода , но для этого требуется более высокая скорость продувки, чем для деионизированной или дистиллированной воды . Системы очистки воды по-прежнему требуют продувки для удаления накопления побочных продуктов химической обработки и предотвращения коррозии и биообрастания. [34]
Вода для охлаждения имеет температуру кипения около 100 градусов С при атмосферном давлении. Двигателям, работающим при более высоких температурах, может потребоваться контур рециркуляции под давлением для предотвращения перегрева. [35] Современные автомобильные системы охлаждения часто работают при давлении 15 фунтов на квадратный дюйм (103 кПа), чтобы повысить температуру кипения охлаждающей жидкости оборотной воды и уменьшить потери на испарение. [36]
Использование водяного охлаждения несет в себе риск повреждения от замерзания. Автомобильная и многие другие системы охлаждения двигателей требуют использования смеси воды и антифриза для снижения точки замерзания до температуры, которая маловероятна. Антифриз также препятствует коррозии разнородных металлов и может повысить температуру кипения, обеспечивая более широкий диапазон температур водяного охлаждения. [36] Его характерный запах также предупреждает операторов об утечках в системе охлаждения и проблемах, которые остались бы незамеченными в системе охлаждения, работающей только на воде.
Другими менее распространенными химическими добавками являются продукты для снижения поверхностного натяжения. Эти присадки призваны повысить эффективность автомобильных систем охлаждения. Такие продукты используются для улучшения охлаждения неэффективных или недостаточно мощных систем охлаждения, а также в гонках, где вес более крупной системы охлаждения может оказаться недостатком. [ нужна цитата ]
Примерно с 1930-х годов для ламп мощных передатчиков принято использовать водяное охлаждение. Поскольку в этих устройствах используются высокие рабочие напряжения (около 10 кВ), требуется использование деионизированной воды, и это необходимо тщательно контролировать. Современные полупроводниковые передатчики могут быть построены так, что даже передатчики большой мощности не требуют водяного охлаждения. Однако водяное охлаждение иногда также используется для тиристоров клапанов HVDC, для которых требуется использование деионизированной воды. [ нужна цитата ]
Методы жидкостного охлаждения все чаще используются для управления температурным режимом электронных компонентов. Этот тип охлаждения представляет собой решение, обеспечивающее оптимизацию энергоэффективности при одновременной минимизации шума и занимаемого пространства. Особенно полезно в суперкомпьютерах или центрах обработки данных, поскольку обслуживание стоек выполняется быстро и легко. После разборки стойки быстроразъемные соединения, изготовленные по передовой технологии, исключают утечку для безопасности операторов и защищают целостность жидкостей (отсутствие загрязнений в контурах). Эти муфты также можно запирать (монтировать на панели?), чтобы обеспечить слепое соединение в труднодоступных местах. [ нужна ссылка ] В электронной технике важно проанализировать системы соединений, чтобы гарантировать:
Водяное охлаждение часто усложняет и увеличивает стоимость конструкции по сравнению с конструкцией воздушного охлаждения, поскольку для транспортировки воды требуется насос, трубки или трубопроводы, а также радиатор, часто с вентиляторами, для отвода тепла в атмосферу. В зависимости от применения водяное охлаждение может создать дополнительный элемент риска, поскольку утечка из контура рециркуляции охлаждающей жидкости может привести к коррозии или короткому замыканию чувствительных электронных компонентов.
Основным преимуществом водяного охлаждения для охлаждения ядер ЦП в вычислительном оборудовании является передача тепла от источника к вторичной охлаждающей поверхности, что позволяет использовать большие, более оптимально спроектированные радиаторы, а не маленькие, относительно неэффективные ребра, установленные непосредственно на источнике тепла. Охлаждение горячих компонентов компьютера различными жидкостями использовалось, по крайней мере, с Cray-2 в 1982 году, в котором использовался Fluorinert . В 1990-е годы водяное охлаждение для домашних ПК постепенно завоевывало признание среди энтузиастов, но оно стало заметно более распространенным после появления в начале 2000-х годов первых процессоров с гигагерцовой частотой. По состоянию на 2018 год существуют десятки производителей компонентов и комплектов водяного охлаждения, и многие производители компьютеров включают предустановленные решения водяного охлаждения в свои высокопроизводительные системы.
Водяное охлаждение можно использовать для многих компонентов компьютера, но обычно оно используется для процессоров и графических процессоров . Для водяного охлаждения обычно используются водяной блок , водяной насос и водовоздушный теплообменник. Передавая тепло устройства на отдельный теплообменник большего размера с помощью более крупных и низкоскоростных вентиляторов, водяное охлаждение может обеспечить более тихую работу, повысить скорость процессора ( разгон ) или сбалансировать и то, и другое. Реже северные и южные мосты , жесткие диски , память , модули стабилизаторов напряжения (VRM) и даже блоки питания могут иметь водяное охлаждение. [37]
Размер внутреннего радиатора может варьироваться: от 40 мм с двумя вентиляторами (80 мм) до 140 мм с четырьмя вентиляторами (560 мм), а толщина — от 30 мм до 80 мм. Вентиляторы радиатора могут быть установлены с одной или обеих сторон. Внешние радиаторы могут быть намного больше, чем их внутренние аналоги, поскольку им не нужно помещаться в пределах компьютерного корпуса. Корпуса высокого класса могут иметь два порта с резиновыми втулками сзади для впускного и выпускного шлангов, что позволяет размещать внешние радиаторы далеко от ПК.
Т -образная линия используется для удаления захваченных пузырьков воздуха из циркулирующей воды. Он состоит из Т-образного соединителя и заглушенной длины трубки. Трубка n действует как мини-резервуар и позволяет пузырькам воздуха проникать в нее, когда они попадают в тройник и в конечном итоге удаляются из системы путем стравливания. Линия с крышкой может быть закрыта фитингом для заливного отверстия, чтобы обеспечить выпуск захваченного газа и добавление жидкости. [ нужна цитата ]
Кулеры для воды для настольных компьютеров до конца 1990-х годов были самодельными. Они были сделаны из автомобильных радиаторов (или, чаще, из автомобильного обогревателя ), аквариумных насосов и самодельных водоблоков, трубок из ПВХ и силикона лабораторного качества, а также различных резервуаров (самодельных из пластиковых бутылок или изготовленных из цилиндрического акрила или листов акрил, обычно прозрачный) и/или Т-образную линию . Совсем недавно [ когда? ] Все большее число компаний производят компоненты водяного охлаждения, достаточно компактные, чтобы поместиться в корпусе компьютера. [38] Это, а также тенденция к увеличению рассеиваемой мощности процессоров значительно увеличили популярность водяного охлаждения.
Заядлые оверклокеры иногда использовали парокомпрессионные или термоэлектрические охладители вместо более распространенных стандартных теплообменников. Системы водяного охлаждения, в которых вода охлаждается непосредственно змеевиком испарителя системы с фазовым переходом, способны охлаждать циркулирующий хладагент ниже температуры окружающего воздуха (что невозможно при использовании стандартного теплообменника) и в результате обычно обеспечивают превосходное охлаждение системы водяного охлаждения. компоненты компьютера, выделяющие тепло. Обратной стороной фазового или термоэлектрического охлаждения является то, что оно потребляет гораздо больше электроэнергии, а из-за низкой температуры необходимо добавлять антифриз . Кроме того, необходимо использовать изоляцию, обычно в виде изоляции водопроводных труб и неопреновых прокладок вокруг охлаждаемых компонентов, чтобы предотвратить повреждения, вызванные конденсацией водяного пара из воздуха на охлаждаемых поверхностях. Обычными местами, из которых можно получить необходимые системы фазового перехода, являются бытовой осушитель или кондиционер . [39]
Альтернативная схема охлаждения, которая также позволяет охлаждать компоненты ниже температуры окружающей среды, устраняя при этом необходимость в антифризе и изоляционных трубах, заключается в установке термоэлектрического устройства (обычно называемого «переходом Пельтье» или «шкуркой» в честь Жана Пельтье , кто задокументировал эффект) между теплогенерирующим компонентом и водоблоком. Поскольку единственная зона с температурой ниже температуры окружающей среды теперь находится на границе с самим тепловыделяющим компонентом, изоляция требуется только в этой локализованной области. Недостатком такой системы является более высокая рассеиваемая мощность. [ нужна цитата ]
Чтобы избежать повреждений из-за конденсата вокруг перехода Пельтье, для правильной установки его необходимо «залить» силиконовой эпоксидной смолой. Эпоксидная смола наносится по краям устройства, предотвращая попадание или выход воздуха внутрь. [ нужна цитата ]
Power Mac G5 от Apple был первым массовым настольным компьютером, в стандартной комплектации которого использовалось водяное охлаждение (хотя только на самых быстрых моделях). Dell последовала этому примеру , поставив свои компьютеры XPS с жидкостным охлаждением , используя термоэлектрическое охлаждение для охлаждения жидкости. В настоящее время единственными компьютерами Dell, предлагающими жидкостное охлаждение, являются настольные компьютеры Alienware . [40]
Asus — первый и единственный массовый бренд, запустивший в массовое производство ноутбуки с водяным охлаждением. Эти ноутбуки имеют встроенную гибридную систему воздушно-водяного охлаждения и могут быть подключены к внешнему радиатору жидкостного охлаждения для дополнительного охлаждения и электропитания. [41] [42]
Вода является идеальной охлаждающей средой для сосудов, поскольку они постоянно окружены водой, температура которой обычно остается низкой в течение всего года. Системы, работающие с морской водой, должны быть изготовлены из медно-никелевого сплава , бронзы , титана или аналогичных коррозионностойких материалов. Для воды, содержащей осадок, может потребоваться ограничение скорости движения по трубопроводу, чтобы избежать эрозии при высокой скорости или засорения из-за осаждения при низкой скорости. [43]
Транспирация растений и потоотделение животных используют испарительное охлаждение, чтобы предотвратить высокие температуры, вызывающие неустойчивый уровень метаболизма .
Пулеметы, используемые на фиксированных оборонительных позициях, иногда используют водяное охлаждение, чтобы продлить срок службы ствола в периоды быстрой стрельбы, но вес системы воды и накачки значительно снижает портативность огнестрельного оружия с водяным охлаждением. Пулеметы с водяным охлаждением широко использовались обеими сторонами во время Первой мировой войны ; однако к концу войны на поле боя стало появляться более легкое оружие, не уступавшее по огневой мощи, эффективности и надежности моделям с водяным охлаждением. Таким образом, оружие с водяным охлаждением сыграло гораздо меньшую роль в последующих конфликтах.
Больница в Швеции использует снеговое охлаждение из талой воды для охлаждения центров обработки данных, медицинского оборудования и поддержания комфортной температуры окружающей среды. [44]
Некоторые ядерные реакторы используют в качестве теплоносителя тяжелую воду . Тяжелая вода используется в ядерных реакторах, поскольку она является более слабым поглотителем нейтронов . Это позволяет использовать менее обогащенное топливо. Для основной системы охлаждения предпочтительно использовать обычную воду через теплообменник, так как тяжелая вода значительно дороже. Реакторы, в которых для замедления используются другие материалы (графит), также могут использовать для охлаждения обычную воду .
Высококачественная техническая вода (полученная обратным осмосом или дистилляцией ) и питьевая вода иногда используются на промышленных предприятиях, требующих охлаждающей воды высокой чистоты. При производстве этих вод высокой чистоты образуются рассолы побочных продуктов , содержащие концентрированные примеси из исходной воды.
В 2018 году исследователи из Университета Колорадо в Боулдере и Университета Вайоминга изобрели метаматериал радиационного охлаждения , известный как «RadiCold», который разрабатывается с 2017 года. Этот метаматериал способствует охлаждению воды и повышению эффективности выработки электроэнергии, при этом он будет охлаждать находящиеся под ними объекты, отражая солнечные лучи, в то же время позволяя поверхности отводить свое тепло в виде инфракрасного теплового излучения. [45]