Водяное охлаждение — это метод отвода тепла от компонентов и промышленного оборудования. Испарительное охлаждение с использованием воды часто более эффективно, чем воздушное охлаждение . Вода недорога и нетоксична; однако она может содержать примеси и вызывать коррозию.
Водяное охлаждение обычно используется для охлаждения автомобильных двигателей внутреннего сгорания и электростанций . Водяные охладители, использующие конвективный теплообмен, используются внутри высокопроизводительных 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 воздуха и в охладителях .
Вода недорога, нетоксична и доступна на большей части поверхности Земли. Жидкостное охлаждение обеспечивает более высокую теплопроводность, чем воздушное охлаждение. Вода имеет необычайно высокую удельную теплоемкость среди общедоступных жидкостей при комнатной температуре и атмосферном давлении, что позволяет эффективно передавать тепло на расстояние с низкими скоростями массопереноса. Охлаждающая вода может быть повторно использована через рециркуляционную систему или использована в однопроходной 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 полагаются на испарительное охлаждение, или закрытыми, если отвод тепла осуществляется в теплообменниках , таким образом, с незначительными потерями на испарение. Теплообменник или конденсатор могут отделять бесконтактную охлаждающую воду от охлаждаемой жидкости , [2] или контактная охлаждающая вода может напрямую попадать на такие предметы, как пильные полотна, где разность фаз позволяет легко отделить. Экологические нормы подчеркивают снижение концентрации отходов в бесконтактной охлаждающей воде. [3]
Вода ускоряет коррозию металлических деталей и является благоприятной средой для биологического роста. Растворенные минералы в природных источниках воды концентрируются путем испарения, оставляя отложения, называемые накипью. Охлаждающая вода часто требует добавления химикатов для минимизации коррозии и изолирующих отложений накипи и биообрастания. [4]
Вода содержит различное количество примесей от контакта с атмосферой, почвой и контейнерами. Будучи одновременно электрическим проводником и растворителем для ионов металлов и кислорода, вода может ускорить коррозию охлаждаемого оборудования. Реакции коррозии протекают быстрее с повышением температуры. [4] Консервация оборудования в присутствии горячей воды была улучшена путем добавления ингибиторов коррозии , включая цинк , хроматы и фосфаты . [5] [6] Первые два имеют проблемы с токсичностью; [7] а последний был связан с эвтрофикацией . [8] Остаточные концентрации биоцидов и ингибиторов коррозии представляют потенциальную опасность для ОТС и продувки из открытых систем рециркуляционного охлаждения. [9] За исключением машин с коротким расчетным сроком службы, закрытые системы рециркуляции требуют периодической обработки или замены охлаждающей воды, что вызывает аналогичную озабоченность относительно окончательной утилизации охлаждающей воды, содержащей химикаты, 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 рециркуляционного охлаждения способствуют колонизации сидячими организмами, использующими циркуляционный запас пищи, кислорода и питательных веществ. [11] Температура может стать достаточно высокой, чтобы поддерживать термофильные популяции организмов, таких как типы грибов . [12] Биологическое обрастание поверхностей теплообмена может снизить скорость теплопередачи системы охлаждения, а биообрастание градирен может изменить распределение потока, чтобы снизить скорость испарительного охлаждения. Биологическое обрастание также может создавать дифференциальные концентрации кислорода, увеличивая скорость коррозии. Системы OTC и открытые рециркуляционные системы более восприимчивы к биообрастанию. Биологическое обрастание может быть подавлено временными изменениями среды обитания. Разница температур может препятствовать созданию термофильных популяций в периодически работающих объектах, а преднамеренные краткосрочные скачки температуры могут периодически убивать менее толерантные популяции. Биоциды обычно используются для контроля биообрастания, когда требуется постоянная эксплуатация объекта. [13]
Хлор может быть добавлен в форме гипохлорита для уменьшения биообрастания в системах охлаждающей воды, но позже восстанавливается до хлорида для минимизации токсичности продувочной или безрецептурной воды, возвращаемой в естественную водную среду. Гипохлорит все более разрушителен 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 имеют сниженную эффективность при значениях pH выше 8. [14] Неокисляющие биоциды может быть сложнее детоксифицировать перед выпуском продувочной или безрецептурной воды в естественную водную среду. [15]
Концентрации полифосфатов или фосфонатов с цинком и хроматами или аналогичными соединениями поддерживались в системах охлаждения для поддержания поверхностей теплообмена достаточно чистыми, чтобы пленка гамма-оксида железа и фосфата цинка могла ингибировать коррозию, пассивируя точки анодной и катодной реакции. [16] Они увеличивают соленость и общее количество растворенных твердых веществ, а соединения фосфора могут обеспечить ограничивающее необходимое питательное вещество для роста водорослей, способствуя биообрастанию системы охлаждения или эвтрофикации естественных водных сред, получающих продувку или воду OTC. Хроматы уменьшают биообрастание в дополнение к эффективному ингибированию коррозии в системе охлаждающей воды, но остаточная токсичность в продувке или воде OTC способствовала снижению концентрации хромата и использованию менее гибких ингибиторов коррозии. [7] Продувка может также содержать хром, выщелоченный из градирен, построенных из древесины, законсервированной хромированным арсенатом меди . [17]
Общее количество растворенных твердых веществ или TDS (иногда называемое фильтруемым остатком) сообщается как масса остатка, оставшегося после испарения измеренного объема отфильтрованной воды . [18] Соленость указывает на изменения плотности или проводимости воды , вызванные растворенными материалами. [19] Вероятность образования накипи увеличивается с увеличением общего количества растворенных твердых веществ. Твердые вещества, обычно связанные с образованием накипи, - это кальций и магний, как в виде карбоната , так и сульфата . Скорость коррозии изначально увеличивается с соленостью в ответ на увеличение электропроводности, но затем уменьшается после достижения пика, поскольку более высокие уровни солености снижают уровни растворенного кислорода. [4]
Некоторые грунтовые воды содержат очень мало кислорода при откачке из скважин, но большинство природных источников воды содержат растворенный кислород. Увеличение концентрации кислорода ускоряет коррозию. [4] Растворенный кислород приближается к уровням насыщения в градирнях. Он полезен при продувке или возврате воды OTC в естественную водную среду. [20]
Вода ионизируется в катионы гидроксония (H 3 O + ) и анионы гидроксида (OH − ) . Концентрация ионизированного водорода (в виде протонированной воды) в системе охлаждения воды сообщается как уровень pH . [21] Низкие значения pH увеличивают скорость коррозии; высокие значения pH способствуют образованию накипи. Амфотерность не распространена среди металлов, используемых в системах охлаждения воды, но скорость коррозии алюминия увеличивается при значениях pH выше 9. Гальваническая коррозия может быть серьезной в водных системах с медными и алюминиевыми компонентами. Кислоту можно добавлять в системы охлаждения воды, чтобы предотвратить образование накипи, если снижение pH компенсирует повышенную соленость и растворенные твердые частицы. [22]
Немногие другие приложения охлаждения приближаются к большим объемам воды, необходимым для конденсации пара низкого давления на электростанциях . [24] Многие объекты, особенно электростанции, используют миллионы галлонов воды в день для охлаждения. [25] Охлаждение воды в таких масштабах может изменить естественную водную среду и создать новую среду. Тепловое загрязнение рек, эстуариев и прибрежных вод является фактором при размещении таких установок. Вода, возвращаемая в водную среду при температуре выше, чем окружающая принимающая вода, изменяет водную среду обитания, увеличивая скорость биохимических реакций и уменьшая способность среды обитания насыщать ее кислородом. Повышение температуры изначально благоприятствует сдвигу популяции от видов, требующих высокой концентрации кислорода холодной воды, к видам, пользующимся преимуществами повышенной скорости метаболизма в теплой воде. [11]
Системы охлаждения с прямым прохождением (OTC) могут использоваться на очень больших реках или на прибрежных и эстуарных участках. Эти электростанции выбрасывают отработанное тепло в реку или прибрежную воду. Таким образом, эти системы OTC зависят от достаточного запаса речной или морской воды для своих нужд охлаждения. Такие сооружения построены с водозаборными сооружениями, предназначенными для подачи больших объемов воды с высокой скоростью потока. Эти сооружения, как правило, также затягивают большое количество рыбы и других водных организмов, которые погибают или получают травмы на водозаборных сетках . [26] Большие скорости потока могут задерживать медленно плавающие организмы, включая рыбу и креветок, на сетках, защищающих трубки теплообменников с малым диаметром отверстия от закупорки. Высокие температуры или турбулентность насоса и сдвиг могут убить или вывести из строя более мелкие организмы, которые проходят через сетки вместе с охлаждающей водой. [27] : Гл. A2 Более 1200 электростанций и производственных предприятий в США используют системы OTC; [28] : 4–4 водозаборные сооружения убивают миллиарды рыб и других организмов каждый год. [29] Более проворные водные хищники потребляют организмы, попавшие на экраны; а тепловодные хищники и падальщики колонизируют сброс охлаждающей воды, чтобы питаться захваченными организмами.
Закон США о чистой воде потребовал от Агентства по охране окружающей среды (EPA) издать правила для промышленных водозаборных сооружений для охлаждающей воды. [30] EPA выпустило окончательные правила для новых объектов в 2001 году (с поправками от 2003 года), [26] [31] и для существующих объектов в 2014 году. [32]
В качестве альтернативы ОТС промышленные градирни могут использовать рециркулированную речную воду, прибрежную воду ( морскую воду ) или воду из скважин. Большие механические градирни с принудительной тягой 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 путем испарения части воды в градирнях, где восходящий поток воздуха контактирует с нисходящей водой. Потеря испаренной воды в воздух, выбрасываемый в атмосферу, заменяется «подпиточной» свежей речной водой или свежей охлаждающей водой, но количество воды, потерянной во время испарительного охлаждения, может повлиять на естественную среду обитания водных организмов. Поскольку испаренная чистая вода заменяется подпиточной водой, содержащей карбонаты и другие растворенные соли, часть циркулирующей воды постоянно сбрасывается в качестве «продувочной» воды, чтобы свести к минимуму чрезмерное накопление солей в циркулирующей воде; эти отходы продувки могут изменить качество получаемой воды. [33]
Нагретая охлаждающая смесь может использоваться для подогрева воздуха внутри автомобиля с помощью радиатора отопителя . Кроме того, водяная рубашка вокруг двигателя очень эффективна для глушения механических шумов, делая двигатель тише.
Открытая система охлаждения водой использует испарительное охлаждение , понижая температуру оставшейся (неиспарившейся) воды. Этот метод был распространен в ранних двигателях внутреннего сгорания, пока не было замечено образование накипи из-за растворенных солей и минералов в воде. Современные открытые системы охлаждения непрерывно тратят часть рециркулирующей воды в качестве продувки для удаления растворенных твердых веществ в концентрациях, достаточно низких для предотвращения образования накипи. Некоторые открытые системы используют недорогую водопроводную воду , но это требует более высоких скоростей продувки, чем деионизированная или дистиллированная вода . Системы очищенной воды по-прежнему требуют продувки для удаления накопленных побочных продуктов химической обработки для предотвращения коррозии и биологического обрастания. [34]
Вода для охлаждения имеет температуру кипения около 100 градусов по Цельсию при атмосферном давлении. Двигатели, работающие при более высоких температурах, могут потребовать контур рециркуляции под давлением для предотвращения перегрева. [35] Современные автомобильные системы охлаждения часто работают при давлении 15 фунтов на квадратный дюйм (103 кПа) для повышения температуры кипения охлаждающей жидкости рециркуляции воды и снижения потерь на испарение. [36]
Использование водяного охлаждения несет риск повреждения от замерзания. Автомобильные и многие другие применения охлаждения двигателей требуют использования смеси воды и антифриза для снижения точки замерзания до температуры, которая вряд ли будет достигнута. Антифриз также препятствует коррозии разнородных металлов и может повышать точку кипения, допуская 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 только с водой.
Другие менее распространенные химические добавки — это продукты для снижения поверхностного натяжения. Эти добавки предназначены для повышения эффективности автомобильных систем охлаждения. Такие продукты используются для улучшения охлаждения неэффективных или недостаточно крупных систем охлаждения или в гонках, где вес более крупной системы охлаждения может быть недостатком. [ необходима цитата ]
Примерно с 1930 года водяное охлаждение стало обычным для трубок мощных передатчиков. Поскольку эти устройства используют высокие рабочие напряжения (около 10 кВ), требуется использование деионизированной воды, и это должно тщательно контролироваться. Современные твердотельные передатчики могут быть построены так, что даже передатчики большой мощности не требуют водяного охлаждения. Однако водяное охлаждение иногда используется и для тиристоров вентилей HVDC, для которых требуется использование деионизированной воды. [ необходима цитата ]
Технологии жидкостного охлаждения все чаще используются для управления температурой электронных компонентов. Этот тип охлаждения является решением, обеспечивающим оптимизацию энергоэффективности при одновременном снижении уровня шума и требований к пространству. Особенно полезен в суперкомпьютерах или центрах обработки данных, поскольку обслуживание стоек выполняется быстро и легко. После разборки стойки быстроразъемные соединения с передовой технологией исключают утечку для безопасности операторов и защищают целостность жидкостей (отсутствие примесей в контурах). Эти соединения также могут быть заблокированы (монтируются на панели?), что позволяет осуществлять слепое соединение в труднодоступных местах. [ требуется цитата ] В электронной технологии важно анализировать системы соединений, чтобы гарантировать:
Водяное охлаждение часто добавляет сложности и стоимости по сравнению с конструкцией воздушного охлаждения, требуя насоса, труб или трубопроводов для транспортировки воды и радиатора, часто с вентиляторами, для отвода тепла в атмосферу. В зависимости от применения, водяное охлаждение может создавать дополнительный элемент риска, когда утечка из контура рециркуляции охлаждающей жидкости может вызвать коррозию или короткое замыкание чувствительных электронных компонентов.
Основным преимуществом водяного охлаждения для охлаждения ядер ЦП в вычислительном оборудовании является отвод 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 используется, по крайней мере, с Cray-2 в 1982 году, который использовал Fluorinert . В течение 1990-х годов водяное охлаждение для домашних ПК медленно завоевывало признание среди энтузиастов, но стало заметно более распространенным после появления первых процессоров с тактовой частотой Gigahertz в начале 2000-х годов. По состоянию на 2018 год существуют десятки производителей компонентов и комплектов водяного охлаждения, и многие производители компьютеров включают в свои высокопроизводительные системы предустановленные решения водяного охлаждения.
Водяное охлаждение может использоваться для многих компонентов компьютера, но обычно оно используется для ЦП и ГП . Водяное охлаждение обычно использует водяной блок , водяной насос и теплообменник вода-воздух. Передавая тепло устройства на отдельный больший теплообменник с использованием больших, низкоскоростных вентиляторов, водяное охлаждение может обеспечить более тихую работу, улучшенную скорость процессора ( разгон ) или баланс того и другого. Реже, северные мосты , южные мосты , жесткие диски , память , модули регуляторов напряжения (VRM) и даже блоки питания могут охлаждаться водой. [37]
Размер внутреннего радиатора может варьироваться: от 40-мм двойного вентилятора (80 мм) до 140-квадового вентилятора (560 мм) и толщина от 30 мм до 80 мм. Вентиляторы радиатора могут быть установлены с одной или с обеих сторон. Внешние радиаторы могут быть намного больше своих внутренних аналогов, поскольку им не нужно умещаться в пределах корпуса компьютера. Высококлассные корпуса могут иметь два резиновых отверстия сзади для впускных и выпускных шлангов, что позволяет размещать внешние радиаторы далеко от ПК.
T -Line используется для удаления захваченных пузырьков воздуха из циркулирующей воды. Он сделан с помощью Т-образного соединителя и закрытой отрезка трубки. Трубка n действует как мини-резервуар и позволяет пузырькам воздуха перемещаться в него, когда они попадают в «тройник»-соединитель, и в конечном итоге удаляются из системы путем стравливания. Закрытая линия может быть закрыта фитингом с отверстием для заполнения, чтобы обеспечить выпуск захваченного газа и добавление жидкости. [ необходима цитата ]
Водяные кулеры для настольных компьютеров были, до конца 1990-х годов, самодельными. Они были сделаны из автомобильных радиаторов (или, что более распространено, сердечника автомобильного обогревателя ), аквариумных насосов и самодельных водяных блоков, лабораторных ПВХ и силиконовых трубок и различных резервуаров (самодельных из пластиковых бутылок или сконструированных из цилиндрического акрила или листов акрила, обычно прозрачного) и/или T -Line . В последнее время [ когда? ] все большее число компаний производят компоненты водяного охлаждения, достаточно компактные, чтобы поместиться внутри корпуса компьютера. [38] Это, а также тенденция к процессорам с более высокой рассеиваемой мощностью, значительно увеличили популярность водяного охлаждения.
Специализированные оверклокеры иногда использовали парокомпрессионное охлаждение или термоэлектрические охладители вместо более распространенных стандартных теплообменников. Системы водяного охлаждения, в которых вода охлаждается непосредственно испарительным змеевиком системы фазового перехода, способны охлаждать циркулирующий хладагент ниже температуры окружающего воздуха (что невозможно со стандартным теплообменником) и, как следствие, обычно обеспечивают превосходное охлаждение тепловыделяющих компонентов компьютера. Недостатком фазового или термоэлектрического охлаждения является то, что оно потребляет гораздо больше электроэнергии, и из-за низкой температуры необходимо добавлять антифриз . Кроме того, необходимо использовать изоляцию, обычно в виде изоляции вокруг водопроводных труб и неопреновых прокладок вокруг охлаждаемых компонентов, чтобы предотвратить повреждения, вызванные конденсацией водяного пара из воздуха на охлажденных поверхностях. Обычными местами, из которых можно получить требуемые системы фазового перехода , являются бытовой осушитель воздуха или кондиционер . [39]
Альтернативная схема охлаждения, которая также позволяет охлаждать компоненты ниже температуры окружающей среды, устраняя необходимость в антифризе и изолированных трубах, заключается в размещении термоэлектрического устройства (обычно называемого «соединением Пельтье» или «кожицей» в честь Жана Пельтье , который задокументировал этот эффект) между компонентом, генерирующим тепло, и водоблоком. Поскольку единственная зона с температурой ниже температуры окружающей среды теперь находится на границе с самим компонентом, генерирующим тепло, изоляция требуется только в этой локализованной области. Недостатком такой системы является более высокая рассеиваемая мощность. [ необходима цитата ]
Чтобы избежать повреждения от конденсации вокруг соединения Пельтье, правильная установка требует, чтобы оно было «залито» силиконовой эпоксидной смолой. Эпоксидная смола наносится по краям устройства, предотвращая попадание или выход воздуха из него. [ необходима цитата ]
Power Mac G5 от Apple был первым массовым настольным компьютером, который имел водяное охлаждение в качестве стандарта (хотя только на самых быстрых моделях). Dell последовала его примеру, поставив свои компьютеры XPS с жидкостным охлаждением [ нужна ссылка ] , используя термоэлектрическое охлаждение для охлаждения жидкости. В настоящее время единственными компьютерами Dell, которые предлагают жидкостное охлаждение, являются их настольные компьютеры Alienware . [40]
Asus — первый и единственный основной бренд, который запустил в массовое производство ноутбуки с водяным охлаждением. Эти ноутбуки имеют встроенную гибридную систему охлаждения воздух/вода и могут быть подключены к внешнему радиатору жидкостного охлаждения для дополнительного охлаждения и электропитания. [41] [42]
Вода является идеальной охлаждающей средой для судов, поскольку они постоянно окружены водой, которая обычно остается при низкой температуре в течение года. Системы, работающие с морской водой, должны быть изготовлены из мельхиора , бронзы , титана или аналогичных коррозионно-стойких материалов. Вода, содержащая осадок, может потребовать ограничения скорости через трубопровод, чтобы избежать эрозии при высокой скорости или закупорки из-за осаждения при низкой скорости. [43]
Транспирация растений и потоотделение животных используют испарительное охлаждение для предотвращения того, чтобы высокие температуры вызывали неустойчивую скорость обмена веществ .
Пулеметы, используемые на стационарных оборонительных позициях, иногда используют водяное охлаждение для продления срока службы ствола в периоды быстрого огня, но вес системы водоснабжения и насосов 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, которое соперничало по огневой мощи, эффективности и надежности с моделями с водяным охлаждением. Таким образом, оружие с водяным охлаждением играло гораздо меньшую роль в последующих конфликтах.
Больница в Швеции использует талую воду для охлаждения своих центров обработки данных, медицинского оборудования и поддержания комфортной температуры окружающей среды. [44]
Некоторые ядерные реакторы используют тяжелую воду в качестве охладителя. Тяжелая вода используется в ядерных реакторах , поскольку она является более слабым поглотителем нейтронов . Это позволяет использовать менее обогащенное топливо. Для основной системы охлаждения предпочтительнее использовать обычную воду с помощью теплообменника, так как тяжелая вода намного дороже. Реакторы, использующие другие материалы для замедления (графит), также могут использовать обычную воду для охлаждения .
Высококачественная промышленная вода (полученная методом обратного осмоса или дистилляции ) и питьевая вода иногда используются на промышленных предприятиях, которым требуется охлаждающая вода высокой степени очистки. Производство этих высокочистых вод создает побочные продукты — рассолы, содержащие концентрированные примеси из исходной воды.
В 2018 году исследователи из Университета Колорадо в Боулдере и Университета Вайоминга изобрели метаматериал для радиационного охлаждения, известный как «RadiCold», который разрабатывался с 2017 года. Этот метаматериал способствует охлаждению воды и повышению эффективности выработки электроэнергии, при этом он охлаждает находящиеся под ним объекты, отражая солнечные лучи и одновременно позволяя поверхности отводить свое тепло в виде инфракрасного теплового излучения. [45]