Войти
Градирня и сброс воды атомной электростанции Водяное охлаждение - это метод отвода тепла от компонентов и промышленного оборудования. Вода может быть более эффективным теплоносителем, когда воздушное охлаждение неэффективно. В большинстве климатических зон вода обеспечивает преимущества теплопроводности по сравнению с жидкостью с необычно высокой удельной теплоемкостью и возможностью испарительного охлаждения. Низкая стоимость часто позволяет утилизировать как отходы после однократного использования, но в контурах рециркуляции охлаждающей жидкости может быть повышено давление, чтобы исключить потери на испарение и обеспечить большую мобильность и улучшенную чистоту. В контурах рециркуляции охлаждающей жидкости без давления с испарительным охлаждением требуется продувка отработанного потока для удаления примесей, концентрированных за счет испарения. К недостаткам систем водяного охлаждения относятся ускоренная коррозия и требования к техническому обслуживанию для предотвращения снижения теплопередачи из-за биообрастания или образования накипи. Химические добавки для уменьшения этих недостатков могут привести к токсичности сточных вод. Водяное охлаждение обычно используется для охлаждения автомобилей двигателей внутреннего сгорания и крупных промышленных объектов, таких как атомные и паровые электростанции, <245.>гидроэлектростанции генераторы, нефтеперерабатывающие заводы и химические заводы. Другие применения включают охлаждение стволов пулеметов, охлаждение смазочного материала масла в насосах ; для охлаждения в теплообменниках ; охлаждающие продукты из резервуаров или колонн; для охлаждения зданий в HVAC в чиллерах, а в последнее время - для охлаждения различных основных компонентов внутри высококачественных персональных компьютеров, таких как ЦП, графические процессоры и материнские платы. Основным механизмом водяного охлаждения является конвективный теплообмен.
Вода недорогая, нетоксичная и доступна в большинстве случаев. земной поверхности. Жидкостное охлаждение обеспечивает более высокую теплопроводность, чем воздушное охлаждение. Вода имеет необычайно высокую удельную теплоемкость среди обычных жидкостей при комнатной температуре и атмосферном давлении, что позволяет эффективно переносить тепло на расстояние с низкими скоростями массопереноса. Охлаждающая вода может рециркулировать через систему рециркуляции или использоваться в одноканальной прямоточной системе охлаждения (OTC). Высокая энтальпия парообразования позволяет использовать эффективное испарительное охлаждение для отвода отработанного тепла в градирнях или охлаждающих бассейнах. Рециркуляционные системы могут быть открытыми, если они основаны на испарительном охлаждении, или закрытыми, если отвод тепла осуществляется в теплообменниках с незначительными потерями на испарение. Теплообменник или конденсатор может бесконтактно отделять охлаждающую воду от охлаждаемой жидкости, или контактная охлаждающая вода может напрямую попадать на такие предметы, как пилы, где разность фаз позволяет легко разделить. Экологические нормы подчеркивают снижение концентрации отходов в бесконтактной охлаждающей воде.
Вода является идеальной охлаждающей средой для судов, поскольку они постоянно окружены водой, которая обычно остается на уровне низкая температура круглый год. Системы, работающие с морской водой, должны быть изготовлены из мельхиора, бронзы, титана или аналогичных коррозионно-стойких материалов. Вода, содержащая отложения, может потребовать ограничения скорости через трубопровод, чтобы избежать эрозии при высокой скорости или блокировки из-за осаждения при низкой скорости.
Вода ускоряет коррозию металлических деталей и является благоприятной средой для биологического роста. Растворенные минералы в природных источниках воды концентрируются за счет испарения, оставляя отложения, называемые отложениями. Охлаждающая вода часто требует добавления химикатов для минимизации коррозии и изоляции отложений накипи и биообрастания.
Вода является благоприятной средой для многих форм жизни. Характеристики потока рециркуляционных систем охлаждающей воды способствуют заселению сидячими организмами для использования циркулирующих источников пищи, кислорода и питательных веществ. Температура может стать достаточно высокой, чтобы поддерживать термофильные популяции. Биообрастание поверхностей теплообмена может снизить скорость передачи тепла в системе охлаждения; а биообрастание градирен может изменить распределение потока, чтобы снизить скорость испарительного охлаждения. Биообрастание может также создавать разную концентрацию кислорода, увеличивая скорость коррозии. Безрецептурные и открытые рециркуляционные системы наиболее подвержены биообрастанию. Биообрастание может подавляться временными изменениями среды обитания. Температурные перепады могут препятствовать созданию термофильных популяций в периодически эксплуатируемых учреждениях; а преднамеренные краткосрочные скачки температуры могут периодически убивать менее устойчивые группы населения. Биоциды обычно используются для борьбы с биообрастанием там, где требуется устойчивая работа предприятия.
Вода содержит различные количества примесей, возникающих в результате контакта с атмосферой, почвой и емкостями. Металлы, как правило, превращаются в руды в результате электрохимических реакций коррозии. Вода может ускорять коррозию как электрический проводник и растворитель для ионов металлов и кислорода. Реакции коррозии протекают быстрее при повышении температуры. Консервация оборудования в присутствии горячей воды была улучшена за счет добавления ингибиторов коррозии, включая цинк, хроматы и фосфаты. Первые два вызывают опасения по поводу токсичности; и последнее было связано с эвтрофикацией. Остаточные концентрации биоцидов и ингибиторов коррозии представляют потенциальную опасность для безрецептурного отпуска и продувки из открытых рециркуляционных систем. 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, используемой с учетом требований экологической безопасности замкнутой системы.
Общее количество растворенных твердых веществ или TDS (иногда называемый фильтруемым остатком) измеряется как масса остатка, оставшегося после отфильтрованной воды испарения. Соленость измеряет изменения плотности или проводимости воды, вызванные растворенными веществами. Вероятность образования накипи увеличивается с увеличением общего количества растворенных твердых веществ. Твердые вещества, обычно связанные с образованием накипи, представляют собой кальция и магния карбонат и сульфат. Скорость коррозии сначала увеличивается с увеличением солености в ответ на увеличение электропроводности, но затем снижается после достижения пика, поскольку более высокие уровни солености снижают уровни растворенного кислорода.
Вода ионизируется до гидрокония (H3O) катионы и гидроксид (OH) анионы. Концентрация ионизированного водорода (в виде протонированной воды) выражается как pH. Низкие значения pH увеличивают скорость коррозии, а высокие значения pH способствуют образованию накипи. Амфотеризм редко встречается среди металлов, используемых в системах водяного охлаждения, но скорость коррозии алюминия увеличивается при значениях pH выше 9. Гальваническая коррозия может быть серьезной в водных системах с медные и алюминиевые компоненты. Кислота может быть добавлена в системы охлаждающей воды для предотвращения образования накипи, если снижение pH компенсирует повышенную соленость и растворенные твердые вещества.
Концентрации полифосфаты или фосфонаты с цинком и хроматами или аналогичные соединения поддерживаются в системах охлаждения для поддержания чистоты теплообменных поверхностей, поэтому пленка из гамма-оксида железа и фосфата цинка может препятствовать коррозии, пассивируя точки анодной и катодной реакции. Они увеличивают соленость и общее количество растворенных твердых веществ, а соединения фосфора могут служить ограничивающим важным питательным веществом 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, но остаточная токсичность в продувке или безрецептурной воде способствовала снижению концентрации хромата и использованию менее гибких ингибиторов коррозии. Продувка может также содержать хром, выщелоченный из градирен, построенных из дерева, консервированного хромированным арсенатом меди.
Некоторые грунтовые воды содержат очень мало кислорода при перекачивании из скважин, но наиболее естественные запасы воды включают растворенный кислород. Коррозия увеличивается с увеличением концентрации кислорода. Растворенный кислород приближается к уровню насыщения в градирнях. Растворенный кислород желателен при продувке или возвращении безрецептурной воды в естественную водную среду.
Хлор может быть добавлен в форме гипохлорита для уменьшения биообрастания, но позже его количество уменьшается до хлорида, чтобы минимизировать токсичность продувки или Безрецептурная вода вернулась в естественную водную среду. Гипохлорит оказывает все более разрушительное воздействие на деревянные градирни по мере увеличения pH. Хлорированные фенолы использовались в качестве биоцидов или выщелачивались из консервированной древесины в градирнях. И гипохлорит, и пентахлорфенол имеют пониженную эффективность при значениях pH выше 8. Детоксикация неокисляющих биоцидов может быть затруднена перед выпуском продувочной или безрецептурной воды в естественную водную среду.
Энергетический центр Индиан Пойнт. Ежегодно в его системе охлаждения погибает более миллиарда икры и личинок рыб. 
Забор охлаждающей воды на атомной электростанции Немногие другие системы охлаждения позволяют использовать большие объемы воды, необходимые для конденсации пара низкого давления в электростанции. Многие объекты, особенно электростанции, используют миллионы галлонов воды в день для охлаждения. Водяное охлаждение в таком масштабе может изменить природную водную среду и создать новую среду. Тепловое загрязнение рек, эстуариев и прибрежных вод необходимо учитывать при размещении таких станций. Вода, возвращаемая в водную среду при температурах выше, чем температура окружающей среды, в которую поступает вода, изменяет водную среду обитания, увеличивая скорость биохимических реакций и снижая способность среды обитания насыщать кислородом. Повышение температуры изначально способствует переходу популяции от видов, которым требуется высокая концентрация кислорода в холодной воде, к тем, которые пользуются преимуществами повышенной скорости метаболизма в теплой воде.
Однопроходные системы охлаждения (OTC) могут использоваться на очень больших площадях. реки или на прибрежных и эстуарных участках. Эти электростанции сбрасывают отходящее тепло в реку или прибрежную воду. Таким образом, эти внебиржевые системы полагаются на хорошее снабжение речной или морской водой для их охлаждения. Такие сооружения построены с водозаборными сооружениями, рассчитанными на перекачку больших объемов воды с высокой скоростью потока. Эти структуры также имеют тенденцию притягивать большое количество рыб и других водных организмов, которые погибают или получают травмы на приемных экранах. Большой расход может обездвижить медленно плавающие организмы, включая рыбу и креветок, на экранах, защищающих трубы теплообменников с малым диаметром от засора. Высокие температуры или турбулентность насоса и сдвиг могут убить или вывести из строя более мелкие организмы, проходящие через фильтры, увлеченные охлаждающей водой. Более 1200 электростанций и производителей используют безрецептурные системы в США, а водозаборные сооружения ежегодно убивают миллиарды рыб и других организмов. Более подвижные водные хищники поедают организмы, сталкивающиеся с экранами; и хищники теплой воды и падальщики заселяют сток охлаждающей воды, чтобы поесть увлеченные организмы.
Закон США о чистой воде требует, чтобы Агентство по охране окружающей среды (EPA) издало нормативные акты в отношении промышленных водозаборов охлаждающей воды. EPA издало окончательные правила для новых предприятий в 2001 г. (с поправками в 2003 г.) и для существующих в 2014 г.
Градирни Marley с механической тягой В качестве альтернативы внебиржевым промышленным холодильникам башни могут использовать рециркулируемую речную воду, прибрежную воду (морскую воду ) или колодезную воду. В больших градирнях с механической или принудительной тягой на промышленных предприятиях охлаждающая вода непрерывно циркулирует через теплообменники и другое оборудование, в котором вода поглощает тепло. Затем это тепло отводится в атмосферу за счет частичного испарения воды в градирнях, где восходящий воздух контактирует с циркулирующим нисходящим потоком воды. Потери испарившейся воды в воздух, выбрасываемый в атмосферу, заменяются «подпиточной» пресной речной водой или свежей охлаждающей водой; но объемы воды, теряемой во время испарительного охлаждения, могут уменьшить естественную среду обитания водных организмов. Поскольку испарение чистой воды заменяется подпиточной водой, содержащей карбонаты и другие растворенные соли, часть оборотной воды также непрерывно сбрасывается как «продувочная» вода, чтобы предотвратить чрезмерное накопление солей в оборотной воде; и эти отходы продувки могут изменить качество принимаемой воды.
Водяная рубашка вокруг двигателя очень эффективна для подавления механических шумов, которые заставляют двигатель тише.
Старинный бензиновый двигатель с испарительным охладителем и сетчатым экраном для улучшения испарения. Вода перекачивается вверх и стекает по сетке в резервуар. В открытой системе водяного охлаждения используется испарительное охлаждение, понижающее температуру оставшейся (неиспарившейся) воды. Этот метод был распространен в первых двигателях внутреннего сгорания, пока не наблюдалось накопление накипи из растворенных солей и минералов в воде. Современные открытые системы охлаждения постоянно расходуют часть оборотной воды на продувку для удаления растворенных твердых частиц в концентрациях, достаточно низких для предотвращения образования накипи. В некоторых открытых системах используется недорогая водопроводная вода, но для этого требуется более высокая скорость продувки, чем для деионизированной или дистиллированной воды. Системы очищенной воды по-прежнему нуждаются в продувке для удаления накопившихся побочных продуктов химической обработки для предотвращения коррозии и биообрастания.
Водяное охлаждение также имеет температуру точки кипения около 100 градусы С при атмосферном давлении. Двигателям, работающим при более высоких температурах, может потребоваться контур рециркуляции под давлением для предотвращения перегрева. Современные автомобильные системы охлаждения часто работают при давлении 15 фунтов на квадратный дюйм (103 кПа), чтобы повысить температуру кипения рециркулирующей охлаждающей жидкости и снизить потери на испарение.
Использование водяного охлаждения сопряжено с риском повреждений от замерзания. Автомобильные и многие другие системы охлаждения двигателей требуют использования смеси воды и антифриза для понижения точки замерзания до температуры, которая маловероятна. Антифриз также предотвращает коррозию разнородных металлов и может повышать температуру кипения, что позволяет использовать более широкий диапазон температур водяного охлаждения. Его характерный запах также предупреждает операторов об утечках в системе охлаждения и проблемах, которые остались бы незамеченными в системе водяного охлаждения. Нагретую смесь охлаждающей жидкости можно также использовать для нагрева воздуха внутри автомобиля с помощью сердечника нагревателя.
Другие, менее распространенные химические добавки - продукты для снижения поверхностного натяжения. Эти добавки предназначены для повышения эффективности автомобильных систем охлаждения. Такие продукты используются для улучшения охлаждения неэффективных или малоразмерных систем охлаждения или в гонках, где вес более крупной системы охлаждения может быть недостатком.
Примерно с 1930 г. Для ламп мощных преобразователей принято использовать водяное охлаждение. Поскольку в этих устройствах используются высокие рабочие напряжения (около 10 кВ), требуется использование деионизированной воды, и это должно тщательно контролироваться. Современные твердотельные передатчики могут быть сконструированы так, что даже передатчики большой мощности не требуют водяного охлаждения. Однако водяное охлаждение также иногда используется для тиристоров клапанов HVDC, для которых также требуется использование деионизированной воды.
CoolIT Rack DCLC AHx Liquid Cooling Solution Технологии жидкостного охлаждения все чаще используются для управления температурой электронных компонентов. Этот тип охлаждения является решением, обеспечивающим оптимизацию энергоэффективности при одновременном минимизации шума и необходимости в пространстве. Особенно полезно в суперкомпьютерах или центрах обработки данных, так как обслуживание стоек выполняется быстро и легко. После разборки стойки передовые технологии быстроразъемных соединений исключают утечку для безопасности операторов и защищают целостность жидкостей (отсутствие примесей в цепях). Эти муфты также можно заблокировать (установить на панели?), Чтобы обеспечить глухое соединение в труднодоступных местах. В электронной технике важно проанализировать системы соединений, чтобы обеспечить:
Эта холодная пластина ударного типа с жидкостным охлаждением размером 40 мм на 40 мм на 10 мм (нагрев сток) показывает траектории потока с контуром температуры, спрогнозированные с помощью пакета анализа CFD. 
На этой анимации с водяным охлаждением медной холодной пластины (радиатора) с водяным охлаждением диаметром 60 мм и высотой 10 мм показаны контурные траектории потока, прогнозируемый с использованием CFD пакет анализа. Водяное охлаждение часто увеличивает сложность и стоимость по сравнению с конструкцией воздушного охлаждения, поскольку требует наличия насоса, трубопровода или трубопровода для транспортировки воды и радиатора, часто с вентиляторами, для отвода тепла в атмосферу. В зависимости от области применения водяное охлаждение может создать дополнительный элемент риска, поскольку утечка из контура рециркуляции охлаждающей жидкости может вызвать коррозию или короткое замыкание чувствительных электронных компонентов.
Основным преимуществом водяного охлаждения для охлаждения ядер ЦП вычислительного оборудования является отвод тепла от источника к вторичной охлаждающей поверхности, что позволяет использовать большие, более оптимально спроектированные радиаторы, а не небольшие относительно неэффективные ребра, установленные непосредственно на источнике тепла. Охлаждение горячих компьютерных компонентов с помощью различных жидкостей используется по крайней мере с Cray-2 в 1982 году с использованием Fluorinert. В течение 1990-х годов водяное охлаждение для домашних ПК постепенно получало признание среди энтузиастов, но оно стало заметно более распространенным после появления первых процессоров с тактовой частотой гигагерца в начале 2000-х годов. По состоянию на 2018 год существуют десятки производителей компонентов и комплектов водяного охлаждения, и многие производители компьютеров включают предустановленные решения водяного охлаждения для своих высокопроизводительных систем.
Водяное охлаждение можно использовать для охлаждения многих компонентов компьютера, но обычно оно используется для CPU и GPU. Для водяного охлаждения обычно используются водяной блок, водяной насос и теплообменник вода-воздух. Путем передачи тепла от устройства к отдельному теплообменнику, который можно по-разному делать большими и использовать более крупные низкоскоростные вентиляторы, водяное охлаждение может обеспечить более тихую работу, повысить скорость процессора (разгон ) или сбалансировать то и другое. Реже используются северные мосты, южные мосты, жесткие диски, память, модули регуляторов напряжения (VRM), и даже блоки питания могут иметь водяное охлаждение.
Размер радиатора может варьироваться: от 40 мм с двумя вентиляторами (80 мм) до 140 с четырьмя вентиляторами (560 мм) и толщиной от 30 мм до 80 мм. Вентиляторы радиатора могут быть установлены с одной или с обеих сторон.
Типичный одинарный водоблок DIY Установка водяного охлаждения на ПК с использованием T-Line T-Line используется для удаления захваченных пузырьков воздуха из циркулирующей воды. Он состоит из тройника и отрезка трубки с заглушкой. Трубка n действует как мини-резервуар и позволяет пузырькам воздуха попадать в нее, поскольку они захватываются тройником и в конечном итоге выходят из системы (стравливание). Закрытая линия может быть закрыта штуцером для заливного отверстия, чтобы позволить выпуск захваченного газа и добавления жидкости.
Водоохладители для настольных компьютеров до конца 1990-х были самодельными. Они были сделаны из автомобильных радиаторов (или чаще автомобильного сердечника обогревателя ), аквариумных насосов и самодельных водоблоков, лабораторного ПВХ и силикона. трубки и различные резервуары (самодельные из пластиковых бутылок или изготовленные из цилиндрического акрила или листов акрила, обычно прозрачных) и / или T-Line. В последнее время все больше компаний производят компоненты водяного охлаждения, достаточно компактные, чтобы поместиться в корпусе компьютера. Это, а также тенденция к увеличению рассеиваемой мощности ЦП значительно увеличили популярность водяного охлаждения.
Специализированные оверклокеры иногда используют парокомпрессионное охлаждение 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 со стандартным теплообменником) и, как следствие, обычно обеспечивают превосходное охлаждение тепловыделяющие компоненты компьютера. Обратной стороной фазового или термоэлектрического охлаждения является то, что он потребляет гораздо больше электроэнергии, и из-за низкой температуры необходимо добавлять антифриз. Кроме того, необходимо использовать изоляцию, обычно в виде изоляции вокруг водяных труб и неопреновых прокладок вокруг охлаждаемых компонентов, чтобы предотвратить повреждение, вызванное конденсацией водяного пара из воздуха на охлаждаемых поверхностях. Обычные места, из которых можно заимствовать необходимые системы фазового перехода, - это бытовой осушитель или кондиционер.
Альтернативная система охлаждения, которая позволяет компонентам охлаждаться ниже температуры окружающей среды. температура, но которая устраняет требования к антифризу и изоляционным трубам, заключается в размещении термоэлектрического устройства (обычно называемого «переходом Пельтье» или «шкурой» в честь Жана Пельтье, который задокументировал эффект) между тепловыделяющим компонентом и водоблоком. Поскольку теперь единственная зона с температурой ниже окружающей температуры находится на границе с самим тепловыделяющим компонентом, изоляция требуется только в этой ограниченной области. Недостатком такой системы является более высокое рассеивание мощности.
Чтобы избежать повреждения из-за конденсации вокруг соединения Пельтье, правильная установка требует, чтобы он был «залит» силиконовой эпоксидной смолой. Эпоксидная смола нанесена по краям устройства, предотвращая попадание воздуха внутрь и его выход.
Apple Power Mac G5 был первым массовым настольным компьютером с водяным охлаждением в стандартной комплектации (хотя только на самых быстрых моделях). Dell последовала его примеру, поставив свои компьютеры XPS с жидкостным охлаждением, использующим термоэлектрическое охлаждение для охлаждения жидкости. В настоящее время единственными компьютерами Dell, предлагающими жидкостное охлаждение, являются их Alienware столы.
Растения испарение и животные пот используйте испарительное охлаждение, чтобы высокие температуры не приводили к неустойчивой скорости метаболизма.
Пулеметы, используемые в фиксированных оборонительных позициях, иногда используют водяное охлаждение, чтобы продлить срок службы ствола в периоды быстрой стрельбы, но вес воды и Система подкачки значительно снижает портативность огнестрельного оружия с водяным охлаждением.
A больница в Швеции полагается на охлаждение снегом от талой воды для охлаждения своих центров обработки данных, медицинского оборудования и поддержания комфортной температуры окружающей среды.
В некоторых ядерных реакторах в качестве охлаждения используется тяжелая вода. В ядерных реакторах используется тяжелая вода, поскольку она является более слабым поглотителем нейтронов. Это позволяет использовать менее обогащенное топливо. Для основной системы охлаждения предпочтительно использовать обычную воду с использованием теплообменника, так как тяжелая вода намного дороже. В реакторах, в которых для замедления используются другие материалы (графит) , также может использоваться обычная вода для охлаждения.
Высококачественная техническая вода (полученная с помощью обратного осмоса или дистилляция ) и питьевая вода иногда используется на промышленных предприятиях, требующих охлаждающей воды высокой чистоты. При производстве этих вод высокой чистоты образуются побочные отходы рассолов, содержащие концентрированные примеси из исходной воды.
В 2018 году исследователи из Университета Колорадо в Боулдере и Университета Вайоминга изобрели радиационный охлаждающий метаматериал, известный как «RadiCold», будучи разрабатывается с 2017 года. Этот метаматериал помогает охлаждать воду и повышать эффективность выработки электроэнергии, при которой он охлаждает находящиеся под ней объекты, отражая солнечные лучи, в то же время позволяя поверхности отдавать свое тепло в виде инфракрасного теплового излучения..
