Системы охлаждения — от радиатора до жидкого азота! Часть 2
Продолжение статьи о системах охлаждения. Часть 1.
Много текста, трафик.
Система жидкостного охлаждения
Третий в моем обзоре тип системы охлаждения, пожалуй, один из самых интересных, эффектных и эффективных.
Как я уже говорил, с законами физики не поспоришь. Рост тактовых частот и производительности современного компьютера неизбежно сопровождается повышением энергопотребления его элементов, следствием этого является увеличение тепловыделения. В свою очередь, это заставляет производителей создавать все новые и все более эффективные системы охлаждения.
Первый раз с такой системой я познакомился поздно – в конце 2006 года на выставке Home Interactive Technologies (HIT) в Питере. Тогда я участвовал в конкурсе моддинга и рядом с моим модом стоял мод парня, который сделал шикарнейший мод с применениям водяного охлаждения.
Система жидкостного охлаждения – это такая система охлаждения, в качестве теплоносителя в которой выступает какая-либо жидкость.
Вода в чистом виде редко используется в качестве теплоносителя (связано это с электропроводностью и коррозионной активностью воды), чаще это дистиллированная вода (с различными добавками антикоррозийного характера), иногда — масло, другие специальные жидкости.
Главная разница в использовании воздушного и жидкостного охлаждения заключается в том, что во втором случае для переноса тепла вместо нетеплоемкого воздуха используется жидкость, обладающая гораздо большей, по сравнению с воздухом, теплоемкостью.
Принцип действия системы жидкостного охлаждения отдаленно напоминает систему охлаждения в двигателях автомобиля — через радиатор вместо воздуха, прокачивается жидкость, что обеспечивает гораздо лучший теплоотвод. В радиаторах охлаждаемого объекта вода нагревается, после чего вода из этого места циркулирует в более холодное, т.е. отводит тепло.
Журчит ручей
Типичная система состоит из водоблока, в котором происходит передача тепла от процессора теплоносителю, помпы, прокачивающей воду по замкнутому контуру системы, радиатора, где происходит отдача тепла от теплоносителя воздуху, резервуара (служит для заполнения системы водой и прочих сервисных нужд) и соединительных шлангов.
Поверхность соприкосновения водоблока с процессором обычно отполирована до зеркального отражения, по уже озвученным мною причинам. Через знакомый термоинтерфейс водоблок крепится на охлаждаемый объект. Обычно он крепится с помощью специальных скоб, что исключает его возможность двигаться. Бывают водоблоки и для видеокарт, но явных отличий от принципа действия процессорных водоблоков нет – все различия в креплении и форме радиатора.
Одна из частых проблем обладателей систем жидкостного охлаждения это перегрев околопроцессорно-сокетных элементов материнской платы, которые могут греться ни чуть не хуже своего старшего брата. Связано это с тем, что обычно в таких системах отсутствует циркуляция холодного воздуха. Как этого избежать? Совет, пожалуй, один – выбирайте системы (совмещайте) с дополнительным кулером, который будет охлаждать остальные греющиеся силовые элементы.
Водоблок через специальные трубки соединяется с радиатором, крепиться который может как внутри системного блока, так и снаружи (например, с задней стороны системника). Второй вариант, пожалуй, предпочтительнее. Судите сами: больше свободного места внутри системного блока, более низкая температура окружающей среды положительно влияет на радиатор. Плюс он дополнительно обдувается корпусным вентилятором.
Резервуар для жидкости, или иначе, расширительный бачок, так же может находиться снаружи системного блока. Его объем в штатных системах варьируется от 200мл до литра.
Производители систем охлаждения стараются заботиться о своих пользователях и прекрасно понимают, что для хорошей системы охлаждения место найдется внутри не каждого системного блока. Тем более, нужно учитывать, что каждый производитель как-то хочет выделиться на фоне других. Поэтому существует огромный выбор внешних систем жидкостного охлаждения (понятное дело, что без соединительных трубок с радиатором на конце никак не пренебречь). Их не стыдно выставить напоказ; обычно внутри таких систем скрывается сразу все – помпа, резервуар, продуваемый вентиляторами радиатор. Но и стоят они, обычно, демонстративно дорого.
Итог по системам водяного охлаждения
Для чего же применять жидкостные системы охлаждения? Ведь если посудить строго, то обычных штатных кулеров всегда достаточно, в обычных условиях работы ПК (если бы это было не так, то их бы не ставили, а ставили системы жидкостного охлаждения). Поэтому чаще всего такую систему следует рассматривать с позиции разгона – тогда, когда возможностей воздушной системы охлаждения будет не хватать.
Другим плюсом жидкостной системы охлаждения является возможность ее установки в ограниченном пространстве корпуса. В отличие от воздуха, трубки с жидкостью можно задать практически любые направления.
Ну и еще один плюс такой системы – ее беззвучность. Чаще всего помпы заставляют циркулировать поток воды по системе, не создавая шума больше значения в 25 дБ.
Минус, как я уже отметил – зачастую, дороговизна установки.
Система охлаждения на элементах Пельтье
Среди нестандартных систем охлаждения можно отметить одну очень эффективную систему – на основе элементов Пельтье. Жан Шарль Атаназ — французский физик, открывший и изучивший явление выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Устройства, принцип работы которых использует данный эффект, называются элементы Пельтье.
В основе работы таких элементов лежит контакт двух проводников с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт этих материалов, электрону необходимо приобрести энергию, чтобы он мог перейти в зону с бОльшей энергией проводимости другого полупроводника. Охлаждение места контакта полупроводников происходит при поглощении этой энергии. Нагревание же места контакта происходит при протекании тока в обратном направление.
На практике используются только контакт двух полупроводников, т.к. при контакте металлов эффект настолько мал, что незаметен на фоне явления теплопроводности и омического нагрева.
Элемент Пельтье содержит одну или несколько пар небольших (не больше 60х60 мм) полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре [обычно теллурида висмута (Bi2Te3) и германида кремния (SiGe)]. Они попарно соединены металлическими перемычками, которые служат термическими контактами и изолированы не проводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединены так, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости — протекающий электрический ток протекает последовательно через всю цепь. В зависимости от того, в каком направлении течет электрический ток, верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом переносится тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаётся разность температур.
При охлаждении нагревающейся стороны элемента Пельтье (радиатором или вентилятором) температура холодной стороны становится ещё ниже.
Итог по элементам Пельтье
К достоинствам такой системы охлаждения можно отнести небольшие размеры и отсутствие каких-либо подвижных частей, а также газов и жидкостей.
Ложкой дегтя является очень низкий коэффициент полезного действия, что приводит к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Если включить термоэлектрическую пластинку без нагрузки (процессор не будет греться), то Вы рискуете стать свидетелем интересной картины – на элементе Пельтье, при охлаждении до точки росы, появится иней, который хлебом не корми – дай закоротить контакты.
Так же, если элемент Пельтье выйдет из строя, то будет еще одно зрелище – из-за отсутствия контакта между радиатором (или кулером) и процессора, последний моментально нагреется и может выйти из строя.
Элементы Пельтье еще обязательно найдут широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств они легко позволяют получить температуры ниже 0°C.
Системы фазового перехода (фреоновые установки)
Чувствуете, как читая текст, становится все холоднее и холоднее? Еще бы – медленно, но верно спускаемся в диапазон низких температур.
Сейчас мы рассмотрим не очень распространенный, но очень эффективный класс систем охлаждения – системы, хладагентом в которой выступают фреоны. Отсюда и название – фреоновые устанвоки. Но более правильно было бы называть такие системы системами фазового перехода. На принципе действия таких систем работают практически все современные бытовые холодильники.
Но давайте по-порядку. Один из вариантов охладить тело — заставить вскипеть на нем жидкость. Для перехода жидкости в пар, необходимо затратить энергию (энергия фазового перехода) – то есть закипая, жидкость отбирает тепловую энергию от окружающих ее предметов. Но мысленно возвращаясь в стены школьного кабинета физики, мы вспомним, что при текущем давлении мы не сможем нагреть жидкость выше температуры ее кипения. Кто из нас показывали друзьям такой фокус – наливая сок в пластиковый стаканчик и держа под дном стакана пламя? Можете попробовать — никаких катаклизмов не произойдет, пока весь сок не выкипит 😉
Всем известная Википедия трактует слово «Фреоны» как галогеноалканы, фторсодержащие производные насыщенных углеводородов (главным образом метана и этана), используемые как хладагенты. Кроме атомов фтора, в молекулах фреонов содержатся обычно атомы хлора, реже — брома. Известно более 40 различных фреонов; большинство из них выпускается промышленностью. Фреоны — бесцветные газы или жидкости, без запаха.
Если же взять такую жидкость, которая будет закипать, скажем, при -40°С, то сосуд, в котором свободно кипит эта жидкость (такой сосуд называют испарителем), будет очень сложно нагреть. Его температура будет стремиться к -40°С. А поставив такой сосуд на нужный нам объект охлаждения (например, на процессор), мы сможем добиться того, чего и хотели – охладить систему.
Но понятное дело, лазить с определенным интервалом под стол и заливать жидкость в испаритель никто не будет – нужно из пара жидкости опять получить саму жидкость, которая будет снова подаваться в испаритель. Вот Вам пища для самостоятельных размышлений.
Ладно-ладно. В результате размышлений вы должны прийти к схеме следующего вида: мощный компрессор после испарителя качает газ и подает его под большим давлением в конденсор. Там газ конденсируется в жидкость и отдает тепло. Конденсор, выполненный в виде радиатора, рассеивает тепло в атмосферу – этот этап мы уже хорошенько рассмотрели в предыдущих системах. Далее жидкий фреон поступает к испарителю, где выкипая, отбирает тепло – вот и весь замкнутый цикл. Цикл «фазовых переходов» потому так и назван — фреон попеременно меняет свое агрегатное состояние.
Системы фазового перехода, испарители (холодильники) которых устанавливаются непосредственно на охлаждаемые элементы, называются системами «Direct Die». Холодными в такой системе являются только сам испаритель и отсасывающая трубка, остальные же элементы могут иметь комнатную температуру или выше. Холодные элементы нужно тщательно теплоизолировать для предотвращения образования конденсата.
Минусом фреонок является относительная громоздкость испарителя и отсасывающей трубки, поэтому объектом охлаждения выбираются лишь процессор и видеокарта.
Есть и еще одна разновидность систем охлаждения, о которой я пока не упомянул – чиллеры. Этот класс систем состоит в основном из систем жидкостного охлаждения, отличием же является наличие второй части (холодильника теплоносителя), которая работает вместо радиатора – зачастую эта часть является той самой системой фазового перехода. Достоинством такой системой является то, что ей можно охладить все элементы системника, а не только видеокарту и процессор (в отличие от «direct die»-систем). Система фазового перехода чиллера охлаждает лишь теплоноситель системы жидкостного охлаждения, то есть в замкнутом контуре течет очень холодная жидкость. Отсюда и минус систем такого типа – необходимость изолирования ВСЕЙ системы (водоблоки, трубки, насосы и т.п.). Если же изолировать не хочется, то можно использовать маломощную фреоновую установку для чиллера, но тогда об экстремальном разгоне можно будет забыть. Тут уж выбирайте, Вам шашечки или ехать.
Итог по фреонкам
К блестящей стороне медали можно отнести возможность достижения очень низких температур, возможность постоянной работы (в отличии от системы, которая рассмотрена далее). Высокий КПД системы (потери минимальны). Из постоянных систем охлаждения, фреонки – самые мощные. При этом они позволяют выносить тепло из корпуса, что положительно сказывается на температурах внутри него.
К стороне медали, намазанной дегтем, относятся такие особенности системы, как сложность изготовления такой системы [ серийно выпускаемых систем не так много, цены сопоставимы со стоимостью запуска шаттла 😉 ]. Небольшой вес и маленькие габариты – все это в полной мере отсутствует в установках данного типа.
Условная стационарность системы. Практически во всех случаях (кроме тех случаев, когда Вы не планируете заниматься экстремальным разгоном) – потребуется теплоизоляция всей системы. Ну и самый, пожалуй, негативный момент – более чем ощутимый шум от работы (50-60 дБ).
Еще одним минусом фреонок является то, что на покупку фреона нужна лицензия. У кого ее нет, выбор не велик: в свободной продаже есть только один — R134a (точка кипения которого -25°С).
Существует еще один хладагент — R290 (пропан), но сейчас он не используется в охладительных системах (возгораемость). Он обладает очень хорошими свойствами: точка кипения -41°С, совместим с любым маслом компрессора и главное, дёшев.
Одевайте варежки, «слоники» и шапки с шубой — мы добрались до самого холодного момента в этой статье.
Система экстремального охлаждения
Ну и в завершающей главе моей сегодняшней статьи станут системы, в качестве хладагента в которых используется жидкий азот.
Жидкий азот представляет собой прозрачную жидкость, без цвета и запаха, температурой кипения (при нормальном атмосферном давлении) которой равна ни много ни мало -195.8 градусов по Цельсию! Для хранения жидкого азота применяют специальные резервуары — сосуды Дьюара объемом от 6 до 40 литров. Тут вот Word подсказывает, что 40 литров это еще и 70.39 английских пинтов, 84.52 американских, 10.56 галлонов или 42.46 квартов 😉
Установки данного типа предназначены только для экстремального охлаждения, в экстремальных условиях. Одним словом, при разгоне.
Всем по стакану
Системы с жидким азотом не содержат никаких помп (температура, знаете ли, не располагает 😉 или других подвижных элементов. Она представляет из себя высокий металлический (медный или алюминиевый) стакан с дном, который плотно соединяется с центральным процессором. Достать такую штуковину не так-то просто (хотя что в наше время не купишь?) – поэтому умельцы зачастую делают его самостоятельно.
Основной проблемой при разработке стакана является обеспечение процессора при полной нагрузке минимальной температурой. Ведь теплопроводные свойства жидкого азота сильно отличаются от той же воды. Он берет лишь тем, что «промораживает» стенки стакана, позволяя охладить процессор до температуры ниже 100 градусов. А так как тепловыделение камешка в простое и в режиме полной нагрузки отличается достаточно существенно (а скачки происходят мгновенно) — стакан часто не в состоянии вовремя эффективно отвести тепло. Для современного процессора оптимальной температурой является -110-130 градусов. Да, подойдет не любой термоинтерфейс. DeDaL советует AS ceramique.
После изготовления стакана, его (и материнскую плату) нужно тщательно теплоизолировать, чтобы конденсат, который неминуемо образуется от такого перепада температур, не замкнул какие-нибудь контакты на материнской плате. Обычно используют различные пористые и пенистые материалы, например вспененный каучук – неопрен. В несколько слоев обматывают отрезанным куском, после чего закрепляют тем же скотчем.
С изоляцией материнской платы несколько сложнее. Чаще всего поступают так – заклеивая разъемы, все «заливают» диэлектрическим лаком. Причем, с обратной стороны материнской платы такую процедуру тоже нужно проделать – в районе процессорного сокета. Такая лакировка абсолютно не мешает работе платы (хотя, вы автоматически лишаетесь гарантии – так, на всякий случай, если еще не лишились) – но зато вы почти гарантированно исключаете возможность пострадать от протекания жидкого азота.
Махмуд, поджигай!
Дальше все просто. После того, как Вы тщательно соберете все компоненты, можно приступать. С помощью какой-то промежуточной емкости (например, термос или какой-то другой теплоизолированный стакан) наливаете азот в стакан на материнской плате, после чего можете мучить свою систему, например, проведением забугорского синтетического теста 😉
Кстати о тестах – вот список тех бенчмарков, которые официально приняты:
— 3Dmark 2001
— 3Dmark 2003
— 3Dmark 2005
— 3Dmark 2006
— Aquamark 3.0
— Super Pi как самый фундаментальный
— Pifast
Для часа работы компьютера достаточно 4-5 литров азота. Заливать в стакан нужно примерно до половины, причем постоянно поддерживая этот уровень.
Достать азот в наше время не является нерешаемой задачей. На каком-нибудь заводе вам его отпустят по цене рублей в 30 за литр. Попробовать купить его можно и в различных медицинских учреждениях. Естественно, нужно везде заранее созваниваться и все узнавать!
Что будет, если азот попадет на какую-либо часть тела? Смотря на какую. Если в глаза – пиши-пропало. Если же немного прольется на руку – ничего страшного не случится. Дело в том, что на поверхности кожи азот сразу закипает, благодаря этому между рукой и азотом образуется воздушная прослойка. Но все в этом мире не вечно… поэтому купаться и даже умываться крайне не советую. Устрашающего вида теплоизоляционные перчатки на руках тех, кто работает с азотом – это чаще всего просто требуемая техника безопасности, за несоблюдение которой больно ругают.
Что является недостатком такой системы охлаждения? Мне кажется, тут все очевидно. Вряд ли кто-то будет спокойненько серфить интернет или моделировать что-то, пусть и ресурсоемкое. Систему с азотом нельзя собрать в небольшую системку под столом и чтобы она там сама по себе стояла. Говоря иначе, такое охлаждение не подходит для решения бытовых задач – нужен постоянный и ответственный контроль, все нужно стараться делать тщательно и без ошибок.
Но зато как элегантно и демонстративно это со стороны…;)
Морозная свежесть
Итак, самое время подвести итоги. Мы узнали, что является самым главным нагревателем в компьютере — это центральный процессор, он же камень. После камня друг за другом идут видеокарта, чипсет материнской платы, жёсткий диск, системная память и различные платы расширения. Практически всегда и на всех компонентах компьютера, требующих охлаждения, оно(охлаждение) уже установлено и для штатного режима работы его вполне достаточно. Если Вы не собираетесь разгонять компьютер, то и модифицировать систему охлаждения Вам не имеет смысла.
Основное, что нужно помнить – что обязательно нужна вентиляция внутри корпуса, т.к. холодный воздух, приходящий из окружающей среды, для той же видеокарты будет намного полезней, чем установка или замена идущего в комплекте кулера на более дорогой.
Если же в Ваши планы входит разгон, то всегда нужно помнить 4 простых правила, однажды кем-то озвученных:
1. Всегда есть вероятность схода с дистанции каких-то участников мероприятия, по разным причинам — начиная от неправильных действий разгоняющего и кончая неправильными действиями производителя, не предугадавшего, что вот именно данная конкретная железка пойдет В РОССИЮ и там ее однозначно будут эксплуатировать на различных нештатных режимах.
2. Гарантии (и возможности продать это оборудование как исправное) в таком случае вы скорее всего лишаетесь, и винить в этом вы будете вынуждены только себя.
3. Устройства «noname» китайского производства рекомендуется исключить из состава вашей машины.
4. Три кита, на которых держится разгон — голова на плечах, руки с правильной заточкой, хорошее охлаждение. При отсутствии хотя бы одного из них можете расслабиться и о разгоне забыть.
Титры
Возможно, в каких-то моментах я был не прав – каюсь. Возможно, Вы все это давно знали – тогда искать причину «вселения злого духа» в компьютер Вам нужно самостоятельно и в другом месте. Я же свою миссию, рассказать об основных системах охлаждения, считаю выполненной 😉 Задавайте вопросы, комментируйте.
Азотный экстрим: все, что нужно знать об азотном охлаждении
Что же представляет собой система охлаждения, хладагентом в которой служит жидкий азот?
После публикации статьи о парокомпрессионных системах охлаждения (www.ferra.ru/online/supply/25203) мы поняли, что интерес читателей к теме экстремального охлаждения процессоров высок, и продолжаем развивать тему охлаждения вообще и охлаждения процессоров в частности.
Помню, когда я впервые увидел на каком-то западном сайте фотографию процессора под азотным охлаждением, я впал в состояние немотивированного «хочу!» Полагаю, что то же самое чувствовали многие из вас, особенно когда фотография сопровождалась подписью вроде «Pentium 4 1,7 ГГц, разогнанный до 3 ГГц» Мне тоже очень хотелось добиться таких результатов, мне хотелось покупать медленные процессоры и делать из них сверскоростных монстров…да много чего хотелось, в общем-то. Только позже, тогда, когда я наконец получил доступ к такому количеству жидкого азота, что впору было мыть им руки, я понял, насколько эта затея была далека от реальности.
Процессор, побывавший под жидким азотом.
Дальнейшие выкладки позволят вам понять то же, что понял я, и не только.
Итак, что представляет собой система охлаждения, хладагентом в которой служит жидкий азот? Да ничего особенного, собственно — основание, выполненное из металла или какого-либо другого материала с высоким коэффициентом теплопроводности, и припаянную к этому основанию чашку, в которую этот самый жидкий азот наливается. Конечно, это простейший случай, однако он же и самый показательный. Создать основание несложно, но это, пожалуй, единственная несложная операция во всем процессе создания азотной системы охлаждения. Дальше начинаются проблемы. Проблема первая — где взять чашку. Металлической кружкой тут не обойдешься, так как потери тепла через стенки будут настолько велики, что весь азот будет уходить не на охлаждение процессора, а на охлаждение стенок сосуда и окружающей среды. Нужна хорошо изолированная чашка. Колба от термоса подошла бы, но вот как соединить ее с основанием, не нарушив целостности, и при этом обеспечив низкое термическое сопротивление соединения? Я не берусь оценивать, во сколько вам обойдется изготовление такого сосуда, а о существовании серийных экземпляров мне неизвестно.
Конечно, можно и обычным металлическим стаканом обойтись (западные и восточные оверклокеры в основном так и делают, им азота не жалко вовсе, да и подливать его они не особенно ленятся), но, повторяю, потери в этом случае будут превышать все разумные пределы. Так что мы пойдем другим путем.
При всем этом сосуд должен быть еще и не очень объемным, чтобы влезть в корпус, пусть даже специально модифицированный, а в сосуд небольшого объема необходимо будет очень часто подливать азот. Кроме того, вес сосуда не должен быть большим, так как лапки сокета (в случае с процессорами Socket A) не способны выдержать большую нагрузку. Кстати, попутно выплывает и еще одна серьезная проблема. Как известно, пластмасса с понижением температуры теряет свою эластичность. При азотных температурах ( ок. –195 градусов по шкале Цельсия) материал, из которого выполнен сокет, будет настолько хрупким, что вряд ли будет в состоянии удержать даже очень малый вес. Так что придется думать над системой крепления, причем в идеале никак не завязанной на материнскую плату. Единственное приходящее на ум решение — опоры, идущие к стенкам корпуса. Сложно, но можно.
Кстати, свои свойства при криотемпературах теряет не только пластмасса, но и полупроводниковые материалы, из которых изготавливается процессор. Конечно, температура в –196 по Цельсию для него вряд ли будет достижима (разница между температурой азота и температурой даже корпуса процессора всегда будет ощутимой, процессор-то постоянно подогревается), однако, если вы попробуете сначала установить систему охлаждения, а затем запустить компьютер, я не могу дать гарантию, что процессор поведет себя адекватно.
Понятно, что при таких температурах вся влага из воздуха тотчас же выпадет в осадок, и бороться с этим в данном случае воистину бесполезно — не та разница температур. Единственный доступный способ — герметизация процессора и прилегающих частей материнской платы с помощью лаков и герметиков. Тоже трудоемко, но исполнимо. Правда, над системой отвода воды и льда из корпуса все равно надо подумать.
Однако все эти трудности меркнут перед следующей проблемой. Она, как всегда, банальна — у вас не хватит денег на обслуживание такой системы, вернее, хватит, но вы не захотите их тратить в таких количествах.
Начнем с разовых платежей. Хранить жидкий азот надо в специальных больших термосах, называемых сосудами Дьюара, стоимостью примерно 300 долларов штука (сложно, но можно найти Б/У дешевле). Вам их необходимо иметь минимум три — один действующий, два на заправке. Про стоимость изготовления самой системы я уже говорил.
Теперь давайте посчитаем, сколько азота потребуется для питания такой системы. Примем для простоты расчета, что тепловые притоки из окружающей среды равняются нулю (конечно же, так не бывает на практике, там придется столкнуться с очень значительными потерями) Один ватт тепла, рассеиваемый процессором, потребует для своей нейтрализации 18 г азота в час, следовательно, средний 50-ваттный Athlon съест за час 900 г (1,125 л) азота. Следовательно, включая компьютер на 6 часов в сутки, вы будете тратить почти 7 л азота. Это, повторяю, идеализированный минимум, который для получения реалистичного результата надо умножать в лучшем случае на полтора, а то и на два, три и даже пять в случае совсем плохой изоляции колбы — из-за теплопритоков окружающей среды и соответствующих потерь. Литр жидкого азота сейчас можно купить (про поиск каналов покупки я умолчу — это тоже отдельная проблема) примерно за 7 рублей. Следовательно, даже в самом идеальном случае азотная система обойдется вам в 50 рублей в день, а на практике эта сумма будет существенно больше — около сотни рублей, плюс транспортные расходы, плюс расходы времени на привоз-отвоз сосудов Дьюара. Не забудьте про как минимум тысячу долларов в начале. Вы готовы пойти на такие траты?
Вот и выходит, что азотная система — удел больших организаций и тестовых лабораторий, и дома ее держать просто незачем. Кстати, мы как раз и являемся тестовой лабораторией, и, надеюсь, в ближайшее время сможем собрать такую систему, о чем непременно отчитаемся.
Однако азот — это не единственное вещество, которое можно использовать для экстремального охлаждения процессоров. Существует еще одно, весьма бюджетное решение, которое позволяет даже в самых что ни на есть домашних условиях достигать очень низких температур. И вы все его не раз видели, например, когда покупали в палатке мороженое.
Да, речь идет именно о нем. Сухой лед, представляющий собой двуокись углерода, или углекислый газ, замороженный до температур около –78 градусов Цельсия, и не имеющий при атмосферном давлении жидкой формы, то есть переходящий из газообразного сразу в твердое, сублимированное состояние. Теплота парообразования (называемая в этом случае теплотой сублимации) у двуокиси углерода существенно выше, чем та же величина для жидкого азота, и на один ватт тепловой мощности уйдет лишь 11 грамм углекислоты.
Но главный плюс углекислотной системы охлаждения — не в этом. Она существенно дешевле и проще как в эксплуатации, так и в сборке. Углекислоту легче достать, достаточно лишь договориться с мороженщицей из ближайшего ларька. Также углекислоту можно просто покупать. С изоляцией колбы можно морочиться уже не так серьезно, так как теплопритоки прямо пропорциональны разности температур между окружающей средой и хладагентом, соответственно, в случае с азотом (температура которого, напоминаю, близка к –200 градусов) разница температур будет втрое большей, чем при использовании двуокиси углерода с его –78 градусами. Сама колба уже тоже не обязательно, металлический стакан, обмотанный войлоком, вполне пойдет. Да и для хранения углекислоты сосуды Дьюара не нужны, хотя, конечно, что-то теплоизолированное крайне желательно.
Принципиальной же для эффективности разгона разницы между –78 и –196 градусами нет, и, если процессор разогнался до какой-то частоты при углекислотной температуре, то вряд ли он разгонится еще больше при температурах азотных.
Да, жидкий азот отдает тепло куда более равномерно, чем большой твердый кусок льда, который соприкасается со стенками на очень небольшой площади, но эту проблему можно решить, просто раскрошив куски в ступе, и высыпав в стакан. Производится и специальный гранулированный сухой лед, который размалывать уже не надо.
Остается, правда, проблема конденсата, но она, как я уже говорил, решается герметизацией.
Конечно, в качестве штатной системы охлаждения такую чашку со льдом вряд ли имеет смысл эксплуатировать, однако энтузиаст-оверклокер вполне может иметь такое устройство под рукой, просто для того, чтобы иногда ходить в палатку к мороженщице, брать у нее твердый CO2, бить рекорды, и повышать собственную самооценку. И никаких дорогостоящих термосов не надо.
По крайней мере, мы такую систему соберем обязательно. И тогда мы посмотрим, кто лучше разгоняется!
Установка азотно-водяного охлаждения (АВО)
Установка азотно-водяного охлаждения представлена в приложении Б.
Воздух с компрессоров под давлением 0,5 МПа поступает через задвижку В101 в воздушные скруббера АП101 и АП102. Давление воздуха контролируется прибором Р101 (метран 100ДИ-1151), температура — прибором Т101 (термометр сопротивления ТПТ-1-1-100П).
Вода под давлением 1,2 МПа температурой около 25 С° поступает из насосной №4 через дроссель ДР101 на распылители, расположенные в нижних частях скрубберов, где и осуществляется предварительное охлаждение воздуха. Температура воды контролируется прибором Т110 (термометр сопротивления ТПТ-1-1-100П), расход — прибором F109 (метран 100ДД-1440). Уровень воды в скрубберах контролируется прибором L101 (метран 100ДД-1430) и регулируется дросселем ДР102 (происходит слив в насосную №4).
Из холодной секции установки охлаждения воды и воздуха (УОВВ) вода температуры около 7 С° подается через дроссель ДР103 на расположенные в верхней секции скрубберов тарелки, выполненные в виде мелкоячеистой сетки. Температура воды контролируется прибором Т111 (термометр сопротивления ТПТ-1-1-100П), расход — прибором F111 (метран 100ДД-1430).
Воздух, проходя тарелки, охлаждается до температуры 9 оС и поступает во влагоотделитель АП104. Температура воздуха контролируется приборами Т104 (термометр сопротивления ТПТ-1-1-100П) и Т105 (термометр сопротивления ТПТ-1-1-100П). Во влагоотделителе происходит конденсация водяных паров, т.е. понижается влажность воздуха. Из влагоотделителя воздух поступает в блок комплексной очистки воздуха (БКО). Давление воздуха контролируется прибором Р104 (метран 100ДД-1451). Слив конденсата осуществляется через дроссель ДР107.
В азотном скруббере АП103 происходит охлаждение воды азотом, температура которого 8 оС. Вода из сборника АП110 поступает на тарелки скруббера, где охлаждается до 12 оС азотом, который затем сбрасывается в атмосферу. Слив воды осуществляется в теплую секцию УОВВ.
Устройства PD135 и PD137 (метран 100ДД-1430) измеряют сопротивление скруббера проходящему воздуху или азоту соответственно.
Автоматизированную систему управления технологическим процессом рассмотрим на примере управления дросселем ДР102.
Прибор L101 (метран 100ДД-1430) преобразовывает уровень воды скрубберах в электрический сигнал, который поступает на аналоговый входной модуль 1756 IF16 (U104) контроллера Allen Bradley 1756 (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема соединения датчика с контроллером
Предварительно оператор задает требуемый уровень воды. Если он не совпадает с реальным уровнем, то контроллер в соответствии с законом ПИ-регулятора вырабатывает управляющий сигнал, поступающий с аналогового выходного модуля 1756-OF8 (U206) на позиционер, который в соответствие с этим сигналом изменяет управляющий пневматический сигнал на дроссель (рисунок 2). Таким образом в скрубберах поддерживается постоянный уровень воды.
Рисунок 2. Схема соединения контроллера с дросселем
Как видно из вышесказанного, основным электронным устройством, применяемым в кислородно-компрессорном цехе, является датчик давления Метран-100.
Датчики давления Метран-100 (в дальнейшем датчики) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин — давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе НART-протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.
Датчики Метран-100 предназначены для преобразования давления рабочих сред: жидкости, пара, газа (в т.ч. газообразного кислорода и кислородосодержащих газовых смесей) в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал на базе HARF-протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.
Датчики разности давлений могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значения уровня жидкости, расхода жидкости, пара или газа в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал на базе HART-протокола и цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485.
Датчики предназначены для работы во взрывобезопасных и взрывоопасных условиях. Взрывозащищенные датчики с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» имеют обозначение Метран-100-Вн, взрывозащищенные с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» имеют обозначение Метран-100-Ех.
Датчики Метран-100-Вн. Метран-100-Ех предназначены для установки и работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно главе 7.3 ПУЭ, и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных условиях.
Датчики предназначены для работы со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, воспринимающими стандартные сигналы постоянного тока 0-5, или 0-20, или 4-20 мА, цифрового сигнала на базе HART-протокола и цифрового сигнала на базе интерфейса RS-485.
Коды исполнений датчика в зависимости от его электронного преобразователя приведены в таблице 3.
Коды исполнений датчика Метран-100
Микропроцессорный без индикаторного устройства с выходным аналоговым сигналом постоянного тока 0-5 м А или 0-20 мА или 4-20 мА, для датчиков исполнения Ех — только 4-20 мА
Микропроцессорный со встроенным индикаторным устройством с выходным аналоговым сигналом постоянного тока 0-5 мА или 0-20 мА или 4-20 мА, для датчиков исполнения Ех- только 4-20 мА
Микропроцессорный без индикаторного устройства с выходным аналоговым сигналом 4-20 мА и цифровым сигналом на базе протокола HART
Микропроцессорный со встроенным индикаторным устройством с выходным аналоговым сигналом 4-20 мА и цифровым сигналом на базе протокола HART
Микропроцессорный без индикаторного устройства с выходным цифровым сигналом на базе интерфейса RS-485
Микропроцессорный со встроенным индикаторным устройством с выходным цифровым сигналом на базе интерфейса RS-485
Датчики с HART-протоколом (код МП2, МПЗ) могут передать информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока 4-20 мА. Этот цифровой сигнал может приниматься и обрабатываться любым устройством, поддерживающим протокол HART. Цифровой выход используется для связи датчика с портативным ручным HART-коммуникатором или с персональным компьютером через стандартный последовательный порт и дополнительный HART-модем, при этом может выполняться настройка датчика, выбор его основных параметров, перестройка диапазонов измерений, корректировка «нуля» и ряд других операций. HART-протокол допускает в системе наличие двух управляющих устройств: системы управления и ручного коммуникатора. Эти два управляющих устройства имеют разные адреса и следовательно Метран-100 (код МП2, МПЗ) может распознать и выполнить команды каждого из них.
Таким образом, по двухпроводной связи передается два типа сигналов аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал на базе протокола HART, который накладывается на аналоговый выходной сигнал датчика, не оказывая на него влияния. В зависимости от измеряемого давления датчики имеют обозначения, приведенные в таблице 4.
Датчики обыкновенного исполнения
Датчики взрывозащишенного исполнения
Гидростатическое давление (уровень жидкости)
Технические характеристики используемых датчиков приведены в таблице 5.
Максимальный верхний предел измерений или диапазон измерений
Минимальный верхний предел измерений или диапазон измерений
Ряд верхних пределов измерений или диапазонов измерений по ГОСТ 22520
Датчик избыточного давления Метран-100-ДИ
0,10; 0,16; 0,25; 0,40; 0,60; 1,0; 1,6; 2,5 МПа
Датчик разности давления Метран-100-ДИ
1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40
10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250
Датчики изготавливаются двух типов:
— МП1, МП3, МП5 — со встроенным индикаторным устройством на основе жидких кристаллов (ЖКИ);
— МП, МП2, МП4 — без индикатора.
Датчик состоит из преобразователя давления (в дальнейшем — сенсорный блок)
и электронного преобразователя. Датчики имеют унифицированный электронный преобразователь.
Измеряемая входная величина подается в камеру сенсорного блока и преобразуется в деформацию чувствительного элемента (тензопреобразователя), вызывая при этом изменение электрического сопротивления его тензорезисторов.
Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.
Конструкция датчиков моделей 1430 и 1440 представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. — Модели 1430 и 1440
Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремнийорганической жидкостью (для датчиков кислородного исполнения жидкость — ПЭФ-70/110), и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 8. Мембраны 8 приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 с помощью тяги 5. Фланцы 10 уплотнены прокладками 3. Воздействие измеряемой разности давлений (большее давление подается в камеру 7, меньшее в камеру 12) вызывает прогиб мембран 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов.
Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный преобразователь по проводам через гермоввод 2.
Сенсорный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.
Функционально электронный преобразователь с кодом МП, МП1, МП2, МПЗ (рисунок 5) состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока памяти АЦП, микроконтроллера с блоком памяти, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), стабилизатора напряжения, фильтра радиопомех и блока регулировки и установки параметров для преобразователя с кодом МП, МП1 или HART-модема для преобразователей с кодом МП2, МПЗ.
Рисунок 5. — Функционально электронный преобразователь
Варианты внешнего вида электронного преобразователя в корпусе приведены на рисунке 7.
Электронные преобразователи МП2, МПЗ (рисунок 7) и МП, МП1 (рисунок 8) и МП4, МП5 (рисунок 9) размещены внутри корпуса 10. Корпус закрыт крышками 5, 11. уплотненными резиновыми кольцами. Крышки датчиков Метран-100-Вн, Метран-100-Ех стопорятся скобой 13 с установкой пломбы. Преобразователь имеет сальниковый ввод 7 или вилку штепсельного разъема (в зависимости от заказа, для датчиков Метран-100, Метран-100-Ех), клеммную колодку 6 для подсоединения жил кабеля, винт 12 для подсоединения экрана, в случае использования экранированного кабеля, болт 8 для заземления корпуса, внешнюю кнопку 15 для корректировки начального значения выходного сигнала.
Плата АЦП принимает аналоговые сигналы преобразователя давления, пропорциональные входной измеряемой величине (давлению) (Uр) и температуре (Ut), и преобразовывает их в цифровые коды. Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик сенсорного блока и других данных о сенсорном блоке.
Для датчиков с кодом МП, МП1, МП2, МПЗ микроконтроллер, установленный на микропроцессорной плате, принимает цифровые сигналы с платы АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передает его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в выходной аналоговый токовый сигнал.
Рисунок 7. Электронные преобразователи МП, МП1
Для датчиков с кодом МП4, МП5 микроконтроллер принимает цифровые сигналы с платы АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение давления на входе сенсорного блока и при помощи драйвера RS-485 по запросу выдает значения давления (в заданном формате) в цифровую линию связи.
Блок регулирования и установки параметров (для датчиков с кодом МП, МП1) предназначен для изменения параметров датчика. Элементами настройки являются кнопочные переключатели (рисунок 8), расположенные под крышкой.
При помощи кнопочных переключателей блока управления и регулирования параметров и цифрового индикатора можно работать с датчиком в следующих режимах:
1.Контроль измеряемого давления:
2.Контроль и настройка параметров;
Параметры и символы режимов настроек датчика отображаются на дисплее индикатора.
В датчиках с кодом МП2, МПЗ, МП4, МП5 отсутствует кнопочное устройство для регулирования и установки параметров датчика. Настройка датчиков осуществляется по цифровому каналу связи.
Для контроля, настройки параметров, выбора режимов работы и калибровки датчиков с кодом МП, МП1 используется индикаторное устройство.
Индикаторное устройство может быть установлено в корпусе электронного преобразователя и подключено к плате микропроцессорного электронного преобразователя (датчике кодом МП1, МПЗ, МП5).
Способ автоматического регулирования температурного режима азотно-водяного охлаждения установки разделения газа Советский патент 1983 года по МПК F25J3/04 G05D27/00
Изобретение относится к способам автоматического регулирования температурного режима установок разделения газа и преимущественно может быть использовано в установках разделения воздуха, в частности азотноводяном охлаждении воздухаИзвестен способ автоматического регулирования расхода т-еплоносителя в испаритель ректификационной колонны по величине заданного расхода с коррекцией по температуре паров, выходящих из испарителя t1
Данный способ достаточно точно поддерживает расход теплоносителя по температуре паров, выходящих из испарителя, но весь материальный баланс процесса разделения не закрывает.
Наиболее близким по технической сущности к изобретения является способ автоматического регулирования процесса разделения воздуха в установке разделения газа путем подачи исходной смеси в колонну по суммарно му значению отклонений уровней в крип тоновой колонне и испарителе-конденсаторе и изменения отбора продукта из испарителя-конденсатора по разности уровней в аппаратах Г21 .
Недостаток указанного способа — повышенные энергозатраты из-за отсутст10вия стабилизации температурного режима процесса.
Целью изобретения является снижение энергозатрат.
Указанная цель достигается тем, что согласно данному способу количест во циркулирующего потока воды корректируют по температуре воздуха на выходе из воздушного скруббера.
На чертеже представлена блок-схе20ма установки, реализующей данный способ.
Установка содержит воздушный :круббер 1, связанный с трубопроводом 2 подачи воды в азотный -скруббер 3, регуляторы , 5 и б расхода, регулятор 7 температуры, датчик 8 температуры, трубопроводы 9 и 10 циркулирующего и подпитывающего потоков воды.
Способ осуществляется следующим образом.
При нарушении материального баланса процесса теплообмена изменяется величина разности АН уровней жидкости в скрубберах с заданной величиной ЛН. Отработку этого рассогласования осуществляют воздеГ-ствием регулятора А на поток подачи воды в трубопроводе 2 из воздушного скруббера в азотный скруббер 3. Одновременно с появлением материального дебаланса возникает тепловой дебаланс, который определяют по рассогласованию величины заданной температуры воздуха, по которой автоматически возникает рассогласование с программной величиной расхода циркуляционной воды. Отработку этого рассогласования осуществляют воздействием на программное задание расхода регулятором 7, после чего осуществляют воздействие на циркуляционный поток воды трубопровода 10 в азотно-водяном охлаждеНИИ установки регулятором 6.
При дебалансе рабочего количества воды в азотно-водяном охлаждении изменяют величину суммы Н уровней в скрубберах. Отработку этого рассогласования осуществляют воздействием на подпитывающий поток воды в трубопроводе 9 регулятором 5 расхода.
Необходимым условием поддержания температурного режима установки является поддержание уровней жидкости в скрубберах, которое сохраняет материальный баланс процесса теплообмена Холодопроизводительность установки азотно-водяного охлаждения зависит от расхода циркулирующего потока воды который оптимизируется по минимальной возможной температуре воздуха на выходе из воздушного скруббера. Поэтому одновременное автоматическое поддержание уровней жидкости в скрубберах и расхода циркулирующей воды по заданной величине расхода, задание которо
автоматически программируется по температуре воздуха из воздушного скруббера, являются необходимыми и достатоными условиями для ведения процесса теплообмена.,
Одновременное автоматическое поддержание уровней жидкости в скруббера и расхода циркулирующей воды позволяет достаточно точно поддерживать заданную температуру воздуха из воздушного скруббера и выбрать оптимальный расход циркуляционной воды, а это в свою очередь снимает температурную нагрузку с регенераторов воздухоразделительной установки, уменьшает пет левой и детандерный потоки, т.е. снижает энергозатраты.
Применение предложенного изобретения позволяет уменьшить потери продуктов разделения на 2% и при выпуске 4-5 установок в год экономический эффект составляет 1283925 тыс.руб./год.
Способ автоматического регулирования температурного режима азотно-водяного охлаждения установки разделения газа путем регулирования расхода воды из воздушного скруббера в азотный по величине заданной разности уровней жидкости в воздушном и азотном скрубберах, регулирования расхода подпитывающего потока воды в циркулирующий поток азотного скруббера по величине заданной суммы уровней воды в скрубберах, определения температуры воздуха на выходе из воздушного скруббера, отл-и чающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат количество циркулирующего потока воды корректируют по температуре воздуха на выходе из воздушного скруббера.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Крючков А.Д. Автоматизация установок разделения газов методом глубокого охлаждения. Л., Химия, 1970, с. U6.
2.Авторское свидетельство СССР № 697785, кя. F 25 J 3/04, 1977.
