Войти
Диаграмма теплового разгона Температурный разгон происходит в ситуациях, когда повышение температуры меняет условия таким образом, что вызывает дальнейшее повышение температуры, часто приводя к разрушительному результату. Это своего рода неконтролируемая положительная обратная связь.
. Другими словами, «тепловой разгон» описывает процесс, который ускоряется повышением температуры, в свою очередь высвобождая энергию, которая дополнительно увеличивает температуру. В химии (и химической инженерии ) это связано с сильно экзотермическими реакциями, которые ускоряются повышением температуры. В электротехнике тепловое неуправляемое отклонение обычно связано с повышенным током и рассеянием мощности, хотя экзотермические химические реакции и здесь могут вызывать беспокойство. Тепловой неуправляемый выброс может происходить в гражданском строительстве, особенно когда тепло, выделяемое большими количествами затвердевающего бетона, не контролируется. В астрофизике реакции неуправляемого ядерного синтеза в звездах могут приводить к взрывам новой и нескольким типам сверхновых, а также могут происходить как драматическое событие в нормальной эволюции звезд солнечной массы, "гелиевая вспышка ".
Некоторые исследователи климата предположили, что повышение средней глобальной температуры на 3–4 градуса Цельсия по сравнению с доиндустриальной базой может привести к дальнейшему неконтролируемому повышению температуры поверхности. Например, выбросы метана, парникового газа более сильного, чем CO2, из водно-болотных угодий, таяния вечной мерзлоты и континентальной окраины морского дна. клатратные отложения могут иметь положительную обратную связь.
Термический разгон также называется тепловым взрывом в химической инженерии, или неуправляемой реакцией в органическая химия. Это процесс, при котором экзотермическая реакция выходит из-под контроля: скорость реакции увеличивается из-за повышения температуры, вызывая дальнейшее повышение температуры и, следовательно, дальнейшее быстрое увеличение скорость реакции. Это способствовало возникновению промышленных химических аварий, в первую очередь катастрофы 1947 Техас-Сити из-за перегрева нитрата аммония в трюме корабля и взрыва в 1976 году. зоален, в сушилке, в Кингс Линн. Теория Франк-Каменецкого обеспечивает упрощенную аналитическую модель теплового взрыва. Разветвление цепи - это дополнительный механизм положительной обратной связи, который также может вызвать резкий скачок температуры из-за быстрого увеличения скорости реакции.
Химические реакции являются либо эндотермическими, либо экзотермическими, что выражается их изменением энтальпии. Многие реакции являются сильно экзотермическими, поэтому многие процессы в промышленном масштабе и нефтепереработки имеют определенный уровень риска теплового разгона. К ним относятся гидрокрекинг, гидрирование, алкилирование (SN2), окисление, металлирование и нуклеофильное ароматическое замещение.. Например, окисление циклогексана в циклогексанол и циклогексанон и орто-ксилол в фталевый ангидрид привело к катастрофические взрывы при отказе управления реакцией.
Неуправляемый тепловой эффект может быть результатом нежелательной экзотермической побочной реакции (реакций), которая начинается при более высоких температурах после первоначального случайного перегрева реакционной смеси. Этот сценарий лежал в основе катастрофы Севезо, когда тепловой разгон вызвал реакцию до таких температур, что в дополнение к предполагаемому 2,4,5- трихлорфенолу, ядовитому 2,3, Также был произведен 7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксин, который был выброшен в окружающую среду после разрыва разрывной мембраны реактора.
Температурный разгон чаще всего вызван отказом системы реактора корпуса охлаждения. Неисправность смесителя может привести к локальному нагреву, который приведет к тепловому неуправлению. Точно так же в проточных реакторах локализованное недостаточное перемешивание вызывает образование горячих точек, в которых возникают условия теплового разгона, что вызывает сильные выбросы содержимого реактора и катализаторов. Неправильная установка компонентов оборудования также является частой причиной. Многие химические производственные предприятия спроектированы с возможностью аварийной вентиляции большого объема, что позволяет ограничить масштабы травм и материального ущерба при возникновении таких аварий.
В больших масштабах небезопасно «заряжать все реагенты и перемешивать», как это делается в лабораторных условиях. Это связано с тем, что количество реакции зависит от куба размера сосуда (V r³), а площадь теплопередачи зависит от квадрата размера (A ∝ r²), так что теплоотдача к площади соотношение масштабируется с размером (V / A r). Следовательно, реакции, которые легко охлаждаются достаточно быстро в лаборатории, могут опасно саморазогреваться в тоннах. В 2007 году подобная ошибочная процедура привела к взрыву реактора на 2400 галлонов США (9100 л), который использовался для металлизации метилциклопентадиена металлическим натрием, в результате чего гибель четырех человек и выброс части реактора на расстояние 400 футов (120 м). Таким образом, реакции промышленного масштаба, склонные к неуправляемому нагреву, предпочтительно регулируются добавлением одного реагента со скоростью, соответствующей доступной охлаждающей способности.
Некоторые лабораторные реакции необходимо проводить при экстремальном охлаждении, поскольку они очень склонны к опасному тепловому выходу из-под контроля. Например, в окислении Сверна образование хлорида сульфония должно осуществляться в охлаждаемой системе (–30 ° C), поскольку при комнатной температуре реакция подвергается взрывному термическому разгону.
Микроволны используются для нагрева различных материалов при приготовлении пищи и различных промышленных процессах. Скорость нагрева материала зависит от поглощения энергии, которое зависит от диэлектрической проницаемости материала. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры различна для разных материалов; некоторые материалы значительно увеличиваются при повышении температуры. Такое поведение, когда материал подвергается воздействию микроволн, приводит к селективному локальному перегреву, поскольку более теплые области лучше способны принимать дополнительную энергию, чем более холодные области, что потенциально опасно, особенно для теплоизоляторов, где происходит теплообмен между горячими точками и остальной материал медленный. Эти материалы называются материалами с тепловыделением. Это явление наблюдается в некоторых керамических изделиях.
Некоторые электронные компоненты развивают более низкое сопротивление или более низкое напряжение срабатывания (для нелинейных сопротивлений) по мере увеличения их внутренней температуры. Если в этих ситуациях условия цепи вызывают заметное увеличение тока, увеличенная мощность рассеивания может привести к дальнейшему повышению температуры на Джоулева нагрева. замкнутый круг или положительная обратная связь эффект теплового разгона может привести к отказу, иногда весьма впечатляющим образом (например, электрический взрыв или пожар). Чтобы предотвратить эти опасности, хорошо спроектированные электронные системы обычно включают в себя токоограничивающую защиту, такую как плавкие предохранители, автоматические выключатели или ограничители тока PTC.
Для обработки больших токов разработчики схем могут подключать несколько устройств с меньшей емкостью (например, транзисторы, диоды или MOV ) в параллельно. Этот метод может работать хорошо, но подвержен явлению, называемому перегрузкой по току, при котором ток не распределяется равномерно между всеми устройствами. Как правило, одно устройство может иметь немного меньшее сопротивление и, таким образом, потребляет больше тока, нагревая его сильнее, чем его родственные устройства, что приводит к дальнейшему падению его сопротивления. Электрическая нагрузка в конечном итоге сводится к одному устройству, которое затем быстро выходит из строя. Таким образом, массив устройств может оказаться не более надежным, чем его самый слабый компонент.
Эффект перегрузки по току может быть уменьшен путем тщательного согласования характеристик каждого параллельно подключенного устройства или использования других методов проектирования для балансировки электрической нагрузки. Однако поддержание баланса нагрузки в экстремальных условиях может оказаться непростой задачей. Устройства с внутренним положительным температурным коэффициентом (PTC) электрического сопротивления менее склонны к перегрузке по току, но тепловой пробой по-прежнему может происходить из-за плохого отвода тепла или других проблем.
Многие электронные схемы содержат специальные меры для предотвращения теплового разгона. Это чаще всего наблюдается в устройствах смещения транзисторов для мощных выходных каскадов. Однако, когда оборудование используется при температуре окружающей среды, превышающей расчетную, в некоторых случаях может все же произойти тепловой пробой. Это иногда приводит к отказу оборудования в жарких условиях или когда вентиляционные отверстия воздушного охлаждения заблокированы.
Кремний демонстрирует своеобразный профиль, в котором его электрическое сопротивление увеличивается с повышением температуры примерно до 160 ° C, затем начинает уменьшаться и далее снижается при плавлении. точка достигнута. Это может привести к явлению теплового разгона во внутренних областях полупроводникового перехода ; сопротивление уменьшается в областях, которые нагреваются выше этого порога, позволяя протекать большему току через перегретые области, что, в свою очередь, вызывает еще больший нагрев по сравнению с окружающими областями, что приводит к дальнейшему повышению температуры и снижению сопротивления. Это приводит к явлению скопления тока и образования нитей тока (аналогично току, но в пределах одного устройства) и является одной из основных причин многих отказы полупроводниковых переходов.
Ток утечки значительно увеличивается в биполярных транзисторах (особенно биполярных транзисторах на основе германия ) при повышении температуры. В зависимости от конструкции схемы это увеличение тока утечки может увеличивать ток, протекающий через транзистор, и, таким образом, рассеивать мощность , вызывая дальнейшее увеличение тока утечки между коллектором и эмиттером. Это часто наблюдается в каскаде двухтактного усилителя класса AB. Если подтягивающие и понижающие транзисторы смещены, чтобы иметь минимальное искажение перехода при комнатной температуре, и смещение не компенсируется по температуре, тогда как при повышении температуры оба транзистора будут смещены, что приведет к дальнейшему увеличению тока и мощности и, в конечном итоге, к разрушению одного или обоих устройств.
Одно практическое правило, позволяющее избежать теплового разгона, - поддерживать рабочую точку BJT так, чтобы V ce ≤ 1 / 2V cc
Другой способ - установите на радиаторе чувствительный транзистор с тепловой обратной связью или другое устройство для управления напряжением смещения кроссовера. По мере нагрева выходных транзисторов нагревается и транзистор с тепловой обратной связью. Это, в свою очередь, вызывает включение транзистора с тепловой обратной связью при немного более низком напряжении, уменьшая напряжение смещения кроссовера и, таким образом, уменьшая тепло, рассеиваемое выходными транзисторами.
Если несколько BJT-транзисторов подключены параллельно (что типично для сильноточных приложений), может возникнуть проблема срыва тока. Необходимо принять специальные меры для контроля этой характерной уязвимости BJT.
В силовых транзисторах (которые, по сути, состоят из множества параллельно включенных небольших транзисторов) между различными частями транзистора может происходить скачок тока, при этом одна часть транзистора становится более горячей, чем другие. Это называется вторым пробоем и может привести к разрушению транзистора, даже если средняя температура перехода кажется на безопасном уровне.
Силовые МОП-транзисторы обычно увеличивают свое сопротивление в открытом состоянии с температурой. При некоторых обстоятельствах мощность, рассеиваемая на этом сопротивлении, вызывает больший нагрев перехода, что дополнительно увеличивает температуру перехода в контуре положительной обратной связи. Как следствие, силовые полевые МОП-транзисторы имеют стабильные и нестабильные области работы. Однако увеличение сопротивления в открытом состоянии с температурой помогает сбалансировать ток между несколькими MOSFET, подключенными параллельно, поэтому не происходит перегрузки по току. Если полевой МОП-транзистор выделяет больше тепла, чем может рассеять радиатор , то тепловой разгон по-прежнему может разрушить транзисторы. Эту проблему можно в некоторой степени уменьшить, снизив тепловое сопротивление между кристаллом транзистора и радиатором. См. Также Thermal Design Power.
Металлооксидные варисторы, как правило, при нагревании развивают более низкое сопротивление. При подключении напрямую через шину питания переменного или постоянного тока (обычное применение для защиты от электрических переходных процессов ), MOV, у которого возникло пониженное напряжение срабатывания, может перейти в катастрофический тепловой разгон, что может привести к небольшому взрыву или Огонь. Чтобы предотвратить эту возможность, ток короткого замыкания обычно ограничивают плавким предохранителем, автоматическим выключателем или другим устройством ограничения тока.
Танталовые конденсаторы при некоторых условиях склонны к саморазрушению из-за теплового разгона. Конденсатор обычно состоит из спеченной танталовой губки, выступающей в качестве анода, диоксида марганца катода и диэлектрический слой пятиокиси тантала, созданный на поверхности танталовой губки посредством анодирования. Может случиться так, что слой оксида тантала имеет слабые места, которые претерпевают диэлектрический пробой во время всплеска напряжения. Затем танталовая губка вступает в прямой контакт с диоксидом марганца, и повышенный ток утечки вызывает локальный нагрев; обычно это вызывает эндотермическую химическую реакцию, которая производит оксид марганца (III) и регенерирует (самовосстановление ) диэлектрический слой оксида тантала.
Однако, если энергия, рассеиваемая в точке разрушения, достаточно высока, может начаться самоподдерживающаяся экзотермическая реакция, аналогичная реакции термит, с металлическим танталом. как топливо и диоксид марганца как окислитель. Эта нежелательная реакция приведет к разрушению конденсатора с образованием дыма и, возможно, пламени.
. Таким образом, танталовые конденсаторы можно свободно использовать в схемах слабого сигнала, но применение в схемах большой мощности должно быть тщательно спроектировано. во избежание отказов из-за теплового разгона.
ток утечки транзисторов логического переключения увеличивается с температурой. В редких случаях это может привести к тепловому выходу из строя цифровых схем. Это не обычная проблема, поскольку токи утечки обычно составляют небольшую часть общего энергопотребления, поэтому увеличение мощности довольно скромное - для Athlon 64 рассеиваемая мощность увеличивается примерно на 10% для каждые 30 градусов Цельсия. Для устройства с TDP, равным 100 Вт, для возникновения теплового разгона теплоотвод должен иметь удельное тепловое сопротивление более 3 к / Вт (кельвинов на ватт), что примерно в 6 раз хуже штатного радиатора Athlon 64. (Стандартный радиатор Athlon 64 рассчитан на 0,34 К / Вт, хотя фактическое тепловое сопротивление окружающей среде несколько выше из-за тепловой границы между процессором и радиатором, повышения температуры корпуса и других тепловых сопротивлений)., неадекватный радиатор с тепловым сопротивлением от более 0,5 до 1 K / W приведет к разрушению устройства мощностью 100 Вт даже без эффектов теплового разгона.
При ненадлежащем обращении или при изготовлении с дефектами некоторые аккумуляторные батареи могут испытывать термический пробой, приводящий к перегреву. Герметичные ячейки иногда могут сильно взорваться, если вентиляционные отверстия перегружены или не работают. Особенно склонны к тепловому разгоне литий-ионные батареи, наиболее заметно в форме литий-полимерной батареи. Сообщения о взрывах мобильных телефонов иногда появляются в газетах. В 2006 году аккумуляторы Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell и других производителей ноутбуков были отозваны из-за пожара и взрывов. Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) США. Департамент транспорта установил правила, касающиеся переноски определенных типов батарей в самолетах из-за их нестабильности в определенных ситуациях. Это действие частично было вызвано пожаром в грузовом отсеке самолета UPS . Одно из возможных решений - использовать вместе более безопасные и менее реактивные анодные (титанаты лития) и катодные (фосфат лития-железа ) материалы - таким образом, избегая использования кобальтовых электродов во многих литиевых перезаряжаемых элементах. с негорючими электролитами на основе ионных жидкостей.
Неуправляемые термоядерные реакции могут происходить в звездах, когда ядерный синтез зажигается в условиях, при которых давление, оказываемое вышележащими слоями звезды, значительно превышает тепловое давление, ситуация, при которой возможно быстрое повышение температуры. Такой сценарий может возникнуть в звездах, содержащих вырожденное вещество, в которых давление электронного вырождения, а не нормальное тепловое давление, выполняет большую часть работы по поддержанию звезды против гравитации, а также в звездах, подвергающихся сжатию.. Во всех случаях дисбаланс возникает до воспламенения плавлением; в противном случае реакции синтеза будут регулироваться естественным образом, чтобы противодействовать изменениям температуры и стабилизировать звезду. Когда тепловое давление находится в равновесии с вышележащим давлением, звезда будет реагировать на повышение температуры и теплового давления из-за инициирования новой экзотермической реакции расширением и охлаждением. Неуправляемая реакция возможна только тогда, когда эта реакция запрещена.
Когда звезды с массой 0,8–2,0 солнечной массы истощают водород в своих ядрах и становятся красными гигантами гелий, накапливающийся в их ядрах, достигает вырождения еще до возгорания. Когда вырожденное ядро достигает критической массы около 0,45 солнечной массы, термоядерный синтез гелия воспламеняется и взлетает с неуправляемой скоростью, называемой гелиевой вспышкой, кратковременно увеличивая выработку энергии звездой до скорость в 100 миллиардов раз больше нормы. Около 6% ядра быстро превращается в углерод. Хотя выброса достаточно для преобразования ядра обратно в нормальную плазму через несколько секунд, он не разрушает звезду и не изменяет ее светимость немедленно. Затем звезда сжимается, покидая фазу красного гиганта и продолжая свою эволюцию в стабильную фазу горения гелия.
A новые в результате убегающего слияния водорода (через CNO цикл ) во внешнем слое углеродно-кислородной звезды белого карлика. Если у белого карлика есть звезда-компаньон, от которой он может образовывать аккрецию газа, материал будет накапливаться в поверхностном слое, вырождающемся из-за сильной гравитации карлика. При правильных условиях достаточно толстый слой водорода в конечном итоге нагревается до температуры 20 миллионов K, вызывая неуправляемый синтез. Поверхностный слой взрывается белым карликом, увеличивая светимость примерно в 50 000 раз. Однако белый карлик и компаньон остаются нетронутыми, поэтому процесс может повториться. Гораздо более редкий тип новой звезды может возникнуть, когда внешний слой, который воспламеняется, состоит из гелия.
Аналогично процессу, ведущему к новым звездам, вырожденные вещество может также накапливаться на поверхности нейтронной звезды, которая аккрецирует газ от близкого спутника. Если накапливается достаточно толстый слой водорода, воспламенение неуправляемого синтеза водорода может привести к рентгеновской вспышке. Как и в случае с новыми звездами, такие всплески имеют тенденцию повторяться и также могут быть вызваны гелием или даже синтезом углерода. Было высказано предположение, что в случае «сверхвзрывов» неуправляемый распад накопленных тяжелых ядер на ядра группы железа посредством фотодиссоциации, а не ядерного синтеза, может дать большую часть энергии взрыва.
A сверхновая типа Ia возникает в результате слияния убегающего углерода в ядре углеродно-кислородной звезды белого карлика. Если белый карлик, который почти полностью состоит из вырожденной материи, может набирать массу от своего компаньона, повышение температуры и плотности материала в его ядре воспламенит слияние углерода, если масса звезды приблизится к Предел Чандрасекара. Это приводит к взрыву, который полностью разрушает звезду. Светимость увеличивается более чем в 5 миллиардов раз. Один из способов получить дополнительную массу - это аккреция газа от спутника гигантской звезды (или даже главной последовательности ). Вторым и, по-видимому, более распространенным механизмом для генерации того же типа взрыва является слияние двух белых карликов.
A сверхновые с парной нестабильностью, как полагают, являются результатом убегания синтез кислорода в ядре массивной, 130–250 солнечной массы, от низкой до средней металличности звезды. Согласно теории, в такой звезде образуется большое, но относительно низкой плотности ядро неплавкого кислорода, вес которого поддерживается давлением гамма-лучей, создаваемых экстремальной температурой. По мере того, как ядро нагревается дальше, гамма-лучи в конечном итоге начинают преодолевать энергетический порог, необходимый для индуцированного столкновением распада на пары электрон - позитрон, процесс, называемый рождением пар. Это вызывает падение давления внутри активной зоны, что приводит к ее дальнейшему сжатию и нагреву, вызывая большее образование пар, дальнейшее падение давления и так далее. Ядро начинает испытывать гравитационный коллапс. В какой-то момент это воспламеняет неконтролируемый синтез кислорода, высвобождая достаточно энергии, чтобы уничтожить звезду. Эти взрывы редки, примерно один на 100 000 сверхновых.
Не все сверхновые возникают в результате неуправляемого ядерного синтеза. Сверхновые типа Ib, Ic и типа II также претерпевают коллапс ядра, но поскольку они исчерпали свой запас атомных ядер, способных вступать в экзотермические реакции синтеза, они полностью коллапсируют до нейтронные звезды, или, в случаях с большей массой, звездные черные дыры, вызывающие взрывы за счет высвобождения потенциальной гравитационной энергии (в основном за счет высвобождения нейтрино ). Именно отсутствие реакций неуправляемого синтеза позволяет таким сверхновым оставлять после себя компактные звездные остатки.
