Кипение в тепловой трубе

Труба представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение объема паровой и уменьшение объема жидкой фаз за счет подвода теплоты к внешней поверхности трубы. Соответственно этому изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению трубы.

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах происходят сложные процессы вблизи стенки, связанные с изменениями теплофизических свойств среды. При умеренных тепловых нагрузках и паросодержаниях на поверхности нагрева возникают пузырьки пара и по мере их роста отделяются от поверхности и перемещаются к центру потока. Такое кипение называется пузырьковым кипением. При развитом пузырьковом кипении движение пузырьков интенсифицирует турбулизацию среды вблизи поверхности и способствует увеличению коэффициента теплоотдачи. В этих условиях температура внутренней стенки незначительно превышает температуру насыщения при данном давлении. Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде при наличии развитого пузырькового кипения на основании многочисленных исследований было предложено большое количество полуэмпирических и эмпирических формул (см. предыдущую лекцию).

Но пузырьковое кипение может существовать только в определенных границах тепловых нагрузок и паросодержаний.

При повышении тепловых нагрузок увеличивается количество пузырьков пара на поверхности, частота их образования, на поверхности нагрева образуется сплошная паровая пленка, препятствующая теплообмену между поверхностью нагрева и средой. Такое кипение принято называть пленочным. Наступление пленочного кипения сопровождается резким снижением коэффициента теплоотдачи от стенки к рабочей среде и, следовательно, резким повышением температуры стенки. Это явление называют кризисом теплообмена первого рода, а тепловая нагрузка, при которой наступает кризис теплообмена первого рода, называется критической тепловой нагрузкой или критической плотностью теплового потока q_кр , кВт/м 2 .

Этот вид кризиса наблюдается как при кипении недогретой до температуры насыщения воды, а также пароводяной смеси с массовыми паросодержаниями, соответствующими пузырьковому режиму течения или дисперсно-кольцевому с кипением в пленке.

При увеличении паросодержания пузырьковый режим движения переходит в снарядный, затем в дисперсно-кольцевой, а далее в дисперсный с наличием тонкой пленки жидкости на стенах. В условиях этого движения происходят сложные процессы массообмена между тонкой пленкой жидкости и паровым ядром, несущим тонкодиспергированную влагу. При достаточно интенсивном кипении жидкости в пленке может наблюдаться пузырьковый вынос влаги в паровой поток (разбрызгивание) , обусловленный разрывом поверхности жидкой пленки отрывающимися паровыми пузырями. Одновременно может происходить осаждение капель из ядра потока на поверхность пленки. Пока происходит интенсивный массообмен между паровым потоком и жидкой пленкой, коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочему телу остается достаточно высоким и температура внутренней стенки остается близкой к температуре насыщения. По мере роста паросодержания смеси из-за испарения и уноса влаги из пристенной пленки, не скомпенсированных выпадением капель из ядра потока, происходит высыхание пленки. Коэффициент теплоотдачи резко уменьшается, а температура стенки возрастает. Это явление принято называть кризисом теплообмена второго рода, который происходит при

Критическая тепловая нагрузка, как показали многочисленные исследования кризисов теплообмена в РФ и за рубежом, зависит от давления, массовой скорости и массового паросодержания.

Структура двухфазного потока при кипении жидкости

внутри вертикальной трубы

При этом наблюдаются три основных области:

I – область подогрева жидкости до температуры насыщения t_c=t_s жидкости (экономайзерный участок);

II – область кипения жидкости при t_s (испарительный участок).Здесь происходит изменение энтальпии жидкости.

III – область подсыхания влажного пара.

Арабскими цифрами обозначены зоны:

1 – зона недогретой до температуры насыщения жидкости;

2 – зона поверхностного кипения, где на поверхности образуются пузырьки пара (пузыртковый режим течения);

3 – зона эмульсионного движения жидкости (здесь по всему объему существуют пузырьки пара);

4 – пробкового-снарядного режима (пузырьки сливаются в единую систему);

5 – стержневого режима по пару;

Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе

При движении кипящей жидкости в горизонтальных трубах имеет место расслоение потока по периметру трубы.

Если скорость циркуляции и содержание пара в потоке невелики, двухфазный поток расслаивается на паровую фазу в верхней части трубы и жидкую – в нижней.

При увеличении скорости циркуляции и паросодержания гребни волн жидкости начинают задевать верхнюю часть трубы, затем течение переходит в подобие пробкового и наконец – стержневого режима с несимметричным распределением жидкой и паровой фаз.

Дата добавления: 2017-10-04 ; просмотров: 3182 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Теплоотдача при кипении в условиях движения жидкости по трубам

Теплоотдача при кипении в условиях движения жидкости по трубам

• Теплопередача при кипении жидкости, движущейся по трубам и каналам, имеет ряд особенностей, которые обусловлены изменением стенки вдоль трубы и температуры жидкости. Температура насыщения по длине трубы снижается за счет снижения давления за счет гидравлического сопротивления. Согласно условиям теплообмена, трубу можно разделить в 3 sections. At вход, температура стенки трубы ниже, чем температура насыщения. Проходя через этот участок, жидкость нагревается, и передача тепла не сопровождается boiling. In на 2-м участке трубы температура стенки превышает температуру насыщения, но сердцевина потока еще не достигла этой температуры.

Таким образом, пузырьки пара, отделенные от поверхности нагрева, частично или полностью конденсируются в центре потока. Это явление называется кипяченой, неотапливаемой жидкостью. К началу 3-го участка центр потока достигает насыщения temperature. In в этой области происходит развитое пузырьковое вскипание. Здесь содержание пара может достигать больших значений, и по существу двухфазный поток проходит через трубу. Увеличение содержания пара сопровождается увеличением расхода по трубе и градиента давления. Характер влияния течения на коэффициент теплопередачи при кипении зависит от величины тепловой нагрузки.

Такую же зависимость между величиной поверхности и необходимой мощностью следует учитывать при конструировании паровых котлов. Людмила Фирмаль

Когда нет Если тепловая нагрузка велика, то коэффициент теплопередачи полностью определяется дорожной обстановкой, и Она практически не зависит от стоимости. Если тепловая нагрузка очень велика, то коэффициент теплопередачи полностью определяется процессом кения и подчиняется тому же закону, что и при кипении в больших объемах, поэтому влияние условий эксплуатации на интенсивность теплопередачи незначительно. Существуют также области, в которых влияние движения жидкости и процесса кипения на теплопередачу эквивалентно, и коэффициент теплопередачи зависит от обоих факторов. Д. А.

• Лабораторные данные по теплопередаче кипящей жидкости, которая движется в трубе, где содержание пара не превышает 70%, были обработаны в виде зависимости. Где а-коэффициент теплопередачи кипящей жидкости с учетом движения се. а, » — коэффициент теплопередачи однофазной жидкости со скоростью u, а также коэффициент теплопередачи, обусловленный кипением большого количества кипящих пузырьков воздуха. Эта зависимость показана на рисунке. 12.4.Поскольку график показывает, что при^ 2 — 0,5 процесс кипения не влияет на теплообмен、 зола.

Для коэффициента теплопередачи определяется только кипением, поэтому он равен a =a₉.Для областей, где коэффициент теплопередачи зависит от расхода и тепловой нагрузки= = 0,5-2, рекомендуется следующий формат интерполяции (12.6） Коэффициент теплопередачи при кипении зависит от содержания газа, растворенного в жидкости. Пузырьки действуют как дополнительный центр испарения, тем самым усиливая теплообмен. Вышеуказанная формула применяется к дегазированной жидкости. Если содержание газа составляет от 0,06 до 0,3 см (31Л), то коэффициент теплопередачи увеличивается на 20-60% по сравнению с кипением деаэрированной жидкости.

Однако этот выигрыш не достигается безвозмездно, так как чем меньше скорость движения воздуха через охлаждающее устройство, тем больше должна быть поверхность для обеспечения отвода данного количества тепла. Людмила Фирмаль

Критическая нагрузка также зависит от скорости потока, причем эта зависимость сохраняется даже в условиях движения, когда коэффициент теплопередачи не зависит от скорости. Из-за вынужденного движения жидкости вдоль поверхности нагрева образование паровой пленки становится затруднительным, так как при увеличении расхода увеличивается критическая тепловая нагрузка. При кипячении неотапливаемой жидкости критическая тепловая нагрузка больше, чем при кипячении жидкости с насыщенной температурой. Это связано с тем, что проникновение неотапливаемой жидкости из ядра в слой стенки способствует разрушению паровой пленки.

Влияние перегрева жидкости на критическую тепловую нагрузку можно оценить по следующей эмпирической формуле. * ..₌» [1+ о ’ОК[7]» т>112⁷1 Где 7 мкрп-критическая тепловая нагрузка при кипении неотапливаемой жидкости. 0 = i, — I,’, — средняя температура жидкости. C — теплоемкость жидкости. Если длина трубы меньше 8-10 в диаметре, то при большей длине критическая тепловая нагрузка будет уменьшаться. I>(8-10)1, критическая тепловая нагрузка не зависит от длины трубы.

Теплообмен при кипении жидкостей

Кипение жидкостей рассматривают в большом объеме при свободном движении или в трубах и каналах при вынужденном движении. Интенсивность теплообмена при кипении зависит от природы жидкости и ее теплофизических свойств. Определяющей температурой является температура насыщения.

Ограничимся рассмотрением теплообмена в условиях пузырькового режима кипения.

При кипении в большом объеме и заданной поверхностной плотности теплового потока (тепловой нагрузки поверхности нагрева) рассчитывают теплообмен, используя следующие зависимости:

– при 104 и отношении длины трубы к ее диаметру больше 50 используют формулу

Где определяющей температурой является средняя температура среды.

6.1. Определить коэффициент теплоотдачи от горизонтальной поверхности нагревателя к кипящей воде, находящейся под давлением 0,5 МПа.

Тепловая нагрузка поверхности нагревателя равна 1 МВт/м2.

Тепловая нагрузка поверхности нагревателя меньше первой критической при том же давлении (см. выше)

Вт/м2 Комментарии к записи Теплообмен при кипении жидкостей отключены

Тепловые трубки своими руками

Эта работа участвовала в нашем конкурсе статей и автор получил приз — barebone EZ–Buddie D3S4–2.

С каждым апгрейдом и последующим разгоном компьютера вместе с тепловыделением процессоров росло мое недовольство стандартными системами охлаждения. Воздушные кулеры меня уже давно перестали устраивать из-за недостаточной производительности и неприемлемых шумовых характеристик (несколько минут послушав рев TT Volcano 7+, я отнес этого монстра друзьям, давшим мне его потестировать).

реклама

Шум для меня вообще критичен, так как я сплю в той же комнате, где стоит компьютер, всю ночь занятый рендерингом. Самодельная система водяного охлаждения могла дать неплохие результаты, но, во-первых, для электропитания помпы пришлось бы использовать дополнительную розетку, во-вторых, в и без того крайне плотно заполненном пространстве системного блока нужно было бы разместить кучу трубок (ухудшение и без того плохой вентиляции), в-третьих, расширительный бачок с помпой и немалый радиатор не могут влезть внутрь моего корпуса и будучи установлены рядом, сильно уменьшили бы пространство на рабочем столе и смотрелось бы довольно неэстетично, в-четвертых, вибрации и низкий гул аквариумной помпы, практически незаметные днем, ночью становятся просто невыносимыми (проверено на опыте неудачной попытки завести рыбок), ну и в-пятых, себестоимость такой системы, судя по форумам, может достигать 60$, а то и 80$. Постепенно сформулировались следующие требования к системе охлаждения:

1. Полная бесшумность
2. Высокая эффективность и возможность ее повышения для последующего апгрейда
3. Возможность изготовления в домашних условиях, доступность исходных материалов и их низкая стоимость
4. Высокая надежность
5. Относительно малые габариты
6. Отсутствие какого-либо электропитания системы охлаждения

Казалось бы, такую систему изготовить в принципе невозможно, но решение нашлось – это тепловые трубы (ТТ), которым на всех форумах по разгону компьютеров и системам охлаждения уделяется крайне мало внимания (иногда в интернете встречаются самодельные испарительные системы охлаждения с пузырьковым кипением рабочей жидкости, которые называются тепловыми трубами, но таковыми не являются и имеют с ними мало общего, а скорее напоминают термосифоны 19 века).

Подобная завеса молчания на самом деле весьма удивительна, если вспомнить об их характеристиках. При малых габаритах, отсутствии внешних источников питания и абсолютной надежности (ломаться просто нечему) ТТ обеспечивают высочайшую эффективность и полную бесшумность. Естественно речь идет о тепловой трубе в ее современном виде. Отлично, такой «кулер» полностью подходит по пяти пунктам требований к системе охлаждения, но остался третий пункт. На разработку конструкции, которую возможно изготовить дома, цена которой не превысит 40$ и материалы для которой будут доступны, у меня ушло много времени. Результат же превзошел все ожидания – стабильный разгон при пассивном охлаждении. ТТ я считаю пассивной системой, поскольку она не имеет механических движущихся частей и не требует внешних источников питания (для работы используется сама отводимая энергия).

В этой статье я расскажу об основных этапах разработки и подробно опишу увлекательный процесс изготовления ТТ. К сожалению, в процессе изготовления я не делал фотографий за неимением цифрового фотоаппарата, поэтому у меня нет возможности проиллюстрировать все этапы фотографиями, надеюсь, что сделанные мной рисунки смогут полноценно их заменить.

2.1. Что такое тепловая труба

Если говорить научным языком, тепловая труба (ТТ) – это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева, или терморегулирования объектов. Впервые термин «тепловая труба» был предложен Гровером Г.М. и использован в описании к патенту США 3 229 759 (02.12.1963, Комиссия по атомной энергии США) и в его статье «Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью». Перенос тепла в ТТ осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния (обычно испарение рабочей жидкости и ее последующая конденсация).

Читайте так же: Заглушка резиновая для труб наружная

Если взять обычную металлическую трубку, налить в нее немного воды, практически полностью откачать из нее воздух (это очень важно, не откачанный воздух будет мешать парообразованию и быстрому движению пара), и герметически закрыть ее с обеих сторон, то мы получим простейшую тепловую трубу, которая называется термосифоном, и идеально работает при вертикальном расположении. Термосифон работает так: к нижнему концу (зона испарения) подводиться тепло, вода начинает испаряться без пузырькового кипения (это тоже очень важно, потому что при кипении на стенках ТТ возникают пузырьки, которые затрудняют отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, и, следовательно, ограничивают мощность теплопередачи), поглощая при этом большую энергию, пар поднимается по трубе к холодному концу (зона конденсации), конденсируется, отдавая энергию, и в виде воды стекает по стенкам трубки вниз. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ достаточно высока, обеспечивается высокая плотность теплового потока. Термосифоны могут работать, если зона испарения находится ниже зоны конденсации, поэтому область их применения ограничена.

реклама

Первые термосифоны применялись для выпечки хлеба в Америке в 19 веке. Нижний конец трубы подогревался в топке, а верхний конец был соединен с камерой, в которой выпекался хлеб. Благодаря тому, что ТТ и термосифоны обладают термостабилизирующими свойствами, хлеб никогда не пригорал.

6 июля 1944г в США был зарегистрирован патент №2350348. Автором изобретения был Гоглер, сотрудник американской фирмы General Motors. Как указывал автор, целью изобретения было «. обеспечение поглощения теплоты, или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора». Для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была предложена капиллярная структура. То есть Гоглер изобрел тепловую трубу, которая могла работать в любом положении и иметь любую форму.

В октябре 1973г в Штутгарте прошла первая международная конференция по тепловым трубам, после которой они получили общее признание.

2.3. Некоторые характеристики ТТ

В настоящее время более эффективного устройства для передачи тепловой энергии, чем ТТ, не существует. Цилиндрическая ТТ с водой при t =50 o С будет иметь теплопроводность в сотни раз больше чем у меди. ТТ на литии при t =1500 o С В осевом направлении может передать тепловой поток до 25квт/см2.

Современные ТТ имеют следующие характеристики:

• Рабочая температура от 4К до 2300К
• Длина от нескольких сантиметров до десятков метров
• Диаметр от 2-3мм. до нескольких метров
• Мощность теплопередачи до 25квт/см 2
• Ресурс работы до 100 000 часов

По виду теплоносителей различают металлические (калий, натрий, цезий и т.д.) для очень высоких температур, и неметаллические (вода, аммиак, ацетон, фреоны и т.д.) для низких и средних температур, к области которых относится и диапазон допустимых температур процессора. Для возврата конденсата в зону испарения могут использоваться гравитационные, капиллярные, центробежные, электростатические и т.д. силы.

Важно отметить, что ТТ начинает работать при любом перепаде температур на ее концах, это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 60 градусов даже если ее другой конец будет иметь температуру 59 градусов. Невысокий коэффициент теплоотдачи (мощность, отводимая с одного квадратного метра поверхности, при условии, что ее температура на один градус выше температуры окружающей среды) пассивного радиатора (он применяется, т.к. абсолютно бесшумен) на холодном конце ТТ снизит допустимую температуру окружающей среды, но не намного.

Наиболее современный и распространенный тип тепловой трубы – ТТ Гровера – состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ (капиллярно-пористый материал).

1. обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды,
2. должен быть герметичным,
3. выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами,
4. обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Сечение – круглое или прямоугольное. Минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный – принципиальных ограничений не имеет. Материал – обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).

реклама

1. обеспечивает теплоперенос в системе при рабочих температурах
2. не должна разлагаться при этих температурах,
3. должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования,
4. должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса,
5. должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз,
6. должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение.

В зависимости от интервала температур (указана температура охлаждаемого тела) могут быть использованы самые различные вещества приведенные к жидкой фазе – от сжиженных газов до металлов: гелий (-271 . -269 o C), аммиак (-60 . +100 o C), фреон-11 (-40 . +120 o C), ацетон (0 . +120 o C), вода (25 . 200°C), ртуть (250 . 650°C), натрий (600 . 1200°C), серебро (1800 . 2300 o C) и т.д.

Капиллярно-пористый материал (фитиль):

1. он должен быть мелкопористым для создания максимального напора и в то же время должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется ТТ длиной более 1 м;
2. слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и в то же время должен быть тонким для уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе).

КПМ обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения и равномерно распределяет ее по всей зоне испарения. Требования к КПМ противоречивы, необходимые параметры подбирают, исходя из конкретной ситуации.

реклама

Совершенно очевидно, что все металлические части ТТ должны быть изготовлены из меди, ввиду ее отличной теплопроводности, простоты обработки точением, химической пассивности и просто хорошему внешнему виду. Изготовить единую ТТ из одного куска меди дома невозможно (как выяснилось, достать нужный для этого кусок меди тоже невозможно), поэтому пришлось разбить ее конструкцию на три части: зона испарения, зона конденсации и соединяющий их корпус.

С самого начала было ясно, что труба должна контактировать непосредственно с процессором через тонкий слой термопасты. Системы, используемые в ноутбуках, в которых между двумя медными пластинами зажимаются ТТ, и уже пластины контактируют с процессором, недопустимы, так как обеспечить хороший контакт между пластинами и ТТ практически невозможно. Таким образом, было решено, что зона испарения будет выполнена из единого куска меди, ее торцевая часть будет притерта для лучшего контакта с процессором, а стенки должны быть достаточно толстыми для обеспечения теплоотвода через всю поверхность испарительной зоны.

реклама

Корпус решено было изготовить из медной трубки диаметром 30 мм. Единственная функция корпуса в моей системе – соединение испарительной и конденсационной зон, поэтому никаких особых требований к нему не предъявлялось.

Зона конденсации – самая сложная часть всей системы. Она должна эффективно отводить тепло, полученное при конденсации пара. Было решено применить пластинчато-ребристый радиатор, то есть состоящий из большого числа тонких пластин.

Эффективность ребра зависит от его площади и температуры, у моих ребер форма и площадь одинаковы, а из теоретических сведений о ТТ известно, что зона конденсации имеет изотермическую поверхность (поверхность с одинаковой температурой во всех точках, постоянство температуры получается благодаря тому, что при переходе пар – жидкость выделяется энергия в виде тепла и температура не меняется, а пар конденсируется равномерно по всей поверхности зоны конденсации), это значит, что радиатор будет иметь одинаковую эффективность ребер на всей длине. Таким образом, максимальная отводимая мощность линейно зависит от длины зоны конденсации. Очевидно, что зона конденсации должна быть конструктивно совмещена с пластинчато-ребристым радиатором, проще говоря, ребра должны быть нарезаны прямо на трубе, это наиболее простая и эффективная (тепло без посредников отводится с зоны конденсации в воздух) конструкция.

реклама

В качестве рабочей жидкости была выбрана дистиллированная вода. В принципе, можно было использовать ацетон, но вода привлекает большей теплоемкостью и большей скрытой энергией парообразования, кроме того, я не уверен, что ацетон не будет взаимодействовать с неметаллическими частями ТТ, к тому же он кипит при низкой температуре (всего 56 градусов при атмосферном давлении, а в вакууме еще меньше) и в нем может начаться процесс пузырькового кипения, что, как мы помним, сильно ограничит перенос тепла в трубе. «Цветение воды» полностью исключено, так как в трубке будет полная темнота и вакуум.

Честно говоря, чтение статей о материале фитилей для ТТ повергло меня в уныние. У двух моих знакомых именно на этом этапе закончились попытки сделать ТТ для охлаждения процессора. Дело в том, что повсеместно рекомендуется изготавливать фитили из спеченных металлических порошков (меди, титана, никеля) с размерами частицы порядка нескольких микрон или из металлических сеток саржевого плетения, тоже с недостижимыми параметрами. Если спечь фитиль из порошка в домашних условиях можно, то получить порошок с нужным размером частиц практически нереально, как и сплести нужную сетку. Хотя есть на эту тему у меня кое-какие задумки, но они пока не проверены экспериментально.

К счастью, я задался вопросом: а почему, собственно, применяют фитили из спеченных порошков? Выяснилось, что они нужны для обеспечения подъема рабочей жидкости на высоту до одного метра. Естественно, что мне такой подъем не нужен, ТТ у меня будет расположена горизонтально, а максимальная высота подъема воды составит 3 см (для эффективной теплоотдачи с торцевой и боковых частей испарительной зоны). В данных условиях в качестве фитиля лучше всего применять именно фитиль. От старой керосиновой лампы. У меня как раз была пачка неиспользованных в свое время запасных фитилей, так что вопрос выбора КПМ был благополучно решен.

4. Поиск необходимых материалов

реклама

Первым делом я пришел к моим знакомым, занимавшимся сбором цветных металлов, и наивно попросил «брусочек меди 9х9х30 сантиметров». В ответ на это мне было сказано, что меди в таком виде не бывает, а если и бывает, то нереально далеко, нереально дорого и вообще они такого никогда не видели. Да, это был удар! Проблема добычи материалов показалась неразрешимой. В конце концов, я решил, что, усложнив конструкцию, можно будет использовать высоковольтную медную шину 1.2х9х200 см. Эту шину весом примерно 20 кг мне продали за 40 долларов (2$ за килограмм, конечно выше рыночной цены, но ненамного).

У меня, как я уже писал, была пачка запасных фитилей от старой керосинки. В принципе, их можно было купить в магазинах хозтоваров, в которых иногда появляются декоративные керосиновые лампы и запасные фитили к ним.

реклама

Для изготовления ТТ мне понадобились следующие инструменты: старый токарный станочек, доставшийся мне после закрытия мастерской по ремонту часов в подвале нашего дома, узкий (2 мм) длинный резец с плоской режущей кромкой, набор сверл, силиконовый герметик (не уверен, относится ли он к инструментам), регулируемые плашка и метчик для нарезания резьбы диаметром от 1.5 см до 3.5 см, стекло и мельчайшая кирпичная пыль для притирки медных частей, мелкий напильник, паяльник и ножовка по металлу. На одном из этапов изготовления потребовался вакуумный насос, любезно предоставленный кафедрой физики.

6.1. Изготовление зоны испарения

Конструкция зоны испарения отдаленно напоминает конструкцию ватерблока для водяных систем охлаждения. Она представляет собой медный параллелепипед 50х50х24 мм с выточенным в центре отверстием диаметром 30 мм. Зажать квадратную заготовку в стандартный патрон токарного станка с тремя зажимающими «пальцами» так, чтобы ее центр совпадал с осью вращения, невозможно, поэтому точить пришлось при очень ощутимой вибрации, а потом ножовкой и напильником срезать лишнюю медь с внешних сторон заготовок. Так как для изготовления использовалась электротехническая шина толщиной 12 мм, зона испарения сделана из двух параллельных медных пластин, тщательно притертых, стянутых винтами и спаянных. Площадка, контактирующая с процессором, так же притерта. Крепление сначала осуществлялось за зубья сокета, но потом оно было снято за ненадобностью. Понятно, что при немалом весе и размере ТТ крепление винтами к материнской плате или за зубья сокета все равно не сможет ее удержать, а надежный контакт с процессором обеспечивают проволочные растяжки, на которых висит труба.

6.2. Изготовление зоны конденсации

Зона конденсации оказалась наиболее сложной частью конструкции. На нее я потратил примерно 90% времени, ушедшего на изготовление ТТ. Ее сложность обуславливается параметрами исходного материала. В результате 20-ти сантиметровая конструкция была изготовлена из 22 секций, длиной менее 10 мм. Конструкция одной секции понятна из рисунка. На каждой секции выточены по 3 ребра толщиной 1 мм и расстоянием между ними 2 мм.

Будучи наслышан о пластичности меди и трудностях ее обработки, я опасался невероятных проблем при точении ребер, но, как выяснилось, именно при точении все обстоит намного проще: во-первых, медь не перегревается, ведь при обороте заготовки большая ее часть не контактирует с резцом и успевает охлаждаться, во-вторых, даже будучи немного нагреты, уже готовые ребра не деформируются, так как их выпрямляет немалая центробежная сила, возникающая при быстром вращении заготовки, ну а в-третьих, уже готовая часть радиатора отводит излишки тепла от точки обработки. Для более надежного охлаждения обрабатываемой детали я использовал комнатный вентилятор с картонным конусом, направляющим воздушный поток.

Читайте так же: Цилиндр для 219 трубы

Большой проблемой оказалось соединение секций между собой. Спаять такую конструкцию, по-моему, нереально, ведь ее придется сильно нагревать на газовой плите, и уже сделанные пайки могут развалиться, да и действовать паяльником в 2-х миллиметровом пространстве между ребрами крайне затруднительно. В результате я нарезал на соединяющихся частях резьбу и свинтил их. Кроме «стандартных» были выточены две секции, составляющие конец ТТ и секция, соединяющая корпус с зоной конденсации. В торцевой конец был вкручен простейший шариковый клапан, через который из ТТ будет откачан воздух.

Длина зоны конденсации, равная 20 см, была выбрана на основании простейшего расчета. Площадь одной пластины радиатора составляет 2*Pi*(R 2 -r 2 ) (множитель 2 появился, так как у пластины две стороны), где R – радиус ребра, а r – радиус зоны конденсации. В моем случае площадь пластины равна 86.35 см 2 , а площадь всех 66 пластин на 22 секциях получается 5699.1 см 2 , то есть 0.6 м 2 (на самом деле площадь еще немного больше, благодаря расстоянию между пластинами, но его я не учитывал).

В пластинчато-ребристом радиаторе возникает эффект «вытяжной трубы» (нагретый воздух в ограниченном с боков пространстве с большой скоростью движется вверх, подтягивая на свое место холодный воздух), что обеспечивает хороший обдув ребер радиатора. Коэффициент теплоотдачи такого радиатора составляет около 30 Вт / (м 2 0 С). Помножив этот коэффициент на общую площадь (ведь, как мы помним, все пластины работают одинаково эффективно и имеют одинаковую температуру), получим, что при разности температур между радиатором и окружающим воздухом в 1 градус мой радиатор сможет рассеять примерно18 Вт. А при разности температур в 10 градусов – 180 Вт!

Допустим, летом температура в комнате поднимется до 35 градусов, тогда для отвода 180 Вт температура радиатора должна быть 45 градусов, а как известно из теории, ТТ будет работать даже при температуре зоны конденсации 59 градусов, значит есть еще неплохой запас. Уверен, что выделяемая процессором мощность не будет больше 100 Вт, а для отдачи такой мощности радиатор нагреется всего на 5.6 градусов выше комнатной температуры.

Медную трубку нужного диаметра мне найти не удалось, зато у меня был лист меди толщиной чуть меньше 1 мм. Этот лист был в два слоя накручен на выточенный на токарном станке деревянный цилиндр, от души обработан киянкой и пропаян вдоль. Получилась вполне приличная трубка. Сечение корпуса выглядит так:

Фитили от керосиновой лампы слишком малы, поэтому пришлось сшить их тонкой рыболовной леской в трехслойный «мешок». Шил я вручную с очень слабым натяжением лески, иначе можно было пережать фитиль, после чего он не смог бы эффективно работать. Появилась новая проблема: фитиль никак не удавалось вставить в зону испарения таким образом, что бы он плотно прилегал к ее торцу. Пришлось внутри зоны испарения расточить небольшую канавку (снова возникла проблема зажима квадратной заготовки в стандартный патрон, которая была решена с помощью деревянных подкладок под зажимающие «пальцы») и вставить в полость фитиля кольцо из толстой медной проволоки. Кольцо надежно зафиксировало фитиль и прижало его к торцевой стенке.

6.5. Определение объема воды

Для эффективной работы ТТ рабочей жидкости должно быть чуть-чуть больше, чем может вобрать в себя фитиль, иначе лишняя жидкость будет занимать часть канала по которому движется с большой скоростью пар, при этом жидкость будет сдуваться в зону конденсации, мешая отводу тепла через стенки ТТ. Необходимый объем воды определился очень просто: фитиль был насыщен водой и выжат в мерный стакан, еще 0.5 см 3 было добавлено из тех соображений, что часть воды перейдет в парообразное состояние.

Сначала корпус был вставлен в зону испарения и припаян, затем зона конденсации была развинчена на две части, и соответствующая часть была припаяна к корпусу. Излишки олова были удалены мелким напильником. Развинчивать зону конденсации понадобилось, чтобы после пайки можно было вставить фитиль и зафиксировать его проволочным кольцом. После вставки фитиля все было просто: я залил ранее определенное количество дистиллированной воды (из аптеки), свинтил зону конденсации и залил стыки между ее секциями силиконовым герметиком. Хотя внешний вид готовой конструкции доставлял несомненное эстетическое удовольствие, она была неработоспособна. Из нее еще предстояло откачать воздух, мешающий парообразованию и перемещению пара вдоль трубы. В разрезе готовая ТТ выглядит так:

На кафедре физики нашелся вакуумный насос, которым через клапан в торце ТТ был откачан воздух. ТТ была предварительно заморожена в морозильнике, чтобы насос вместе с воздухом не выкачал воду в виде пара. Наложенный снаружи на швы герметик под действием атмосферного давления частично втянулся в них, обеспечив полную герметичность.

Тестировалась ТТ очень просто. Взявшись за конец зоны конденсации, я засунул зону испарения в кипящую воду, руке практически мгновенно стало горячо, потом я взялся за зону испарения и погрузил радиатор в ведро со льдом, рука тут же почувствовала ощутимый холод. Смысла в дальнейшем тестировании я не усмотрел и приступил к монтажу ТТ в компьютер.

Как уже говорилось, крепление за сокет или материнскую плату не может удержать двухкилограммовую конструкцию длиной чуть больше 30 см, поэтому необходимо было немного модернизировать корпус. В боковой стенке было прорезано отверстие, через которое ТТ выходит из корпуса. К внутренним металлическим конструкциям корпуса были прикреплены растяжки из медной проволоки, на которые была подвешена ТТ. Зона испарения была соединена с процессором через термопасту АЛ-СИЛ 3, и закреплена за зубья сокета (крепления были взяты от какого-то старого ломаного no-name кулера). Крепления были приклеены, поэтому они все время отваливались от шлифованной поверхности ТТ (при этом выяснилось, что они совершенно не нужны, труба, благодаря проволочным растяжкам с достаточной силой прижимается к процессору), и в конце концов я их снял совсем.

Казалось бы, торчащий радиатор диаметром 8 см и длиной 20 см будет неудобен, некрасив, займет много пространства на рабочем столе, но это совершенно не так! Смотрится он очень приятно (мой знакомый моддер был в полнейшем восхищении), придает дизайну корпуса некоторую футуристичность, расположен он не на столе, а над столом, совершенно не мешая класть документы, диски и т.п. Никаких неудобств от габаритов этого устройства лично я не испытываю.

Недавно мне пришло в голову, что если зачернить трубу, она будет лучше отдавать тепло (физический закон – чем чернее тело, тем оно лучше не только поглощает тепло, но и отдает). Чернение проводилось химическим способом, описывать его я не буду, поскольку никому не советую этого делать – нанюхаетесь нашатырного спирта, а увеличения теплоотдачи практически не получите, во всяком случае у меня труба равномерно почернела (еще и дрянь какая-то аморфная на некоторых ребрах осела), но температура процессора не снизилась ни на градус.

Как видно на этой фотографии, конструкция отнюдь не выглядит громоздкой, хотя это довольно спорное утверждение.

Ребра. Конечно, при точении на станке, которому не меньше 30 лет, не удалось избежать досадных оплошностей вроде неравенства толщины получившихся ребер, одно ребро при обрыве резинового привода станка было непоправимо испорчено и его пришлось сточить совсем, кромки некоторых ребер немного помяты, потому что станок иногда начинал вибрировать в направлении, перпендикулярном оси вращения.

Открыта боковая крышка, если присмотреться, то видны проволочные растяжки, на которых висит ТТ.

Я не ставил себе задачу продемонстрировать чудеса экстремального оверклокинга. Целью разгона было доказать возможность стабильного работы разогнанного процессора при пассивном охлаждении.

8.1. Комплектация компьютера:

• Процессор – Athlon XP 1700+ (Thoroughbred) Vcore – 1.6
• Системная плата – MSI MS-6570 K7N2G-ILSR (NVIDIA nForce2)
• Видеоадаптер – Geforce4 Ti 4200 8x AGP
• ОЗУ – Noname 512 DDR SDRAM (PC2700)
• Винчестер – Maxtor D740X-6L 20Гб 2 шт.
• Звуковой адаптер Creative SB Audigy Player
• Блок питания – Power Man 300Вт ATX
• Термопаста АЛ-СИЛ 3

Для тестирования использовались SiSoft Sandra 2001, PC Alert 4, 3D Mark 2000, операционная система Windows ME.

Сначала частота системной шины была выставлена на 180 МГц, на большей частоте компьютер отказывался включаться. Далее разгон процессора производился путем увеличения множителя. Без поднятия напряжения стабильная работа (безошибочная десятикратная архивация-разархивация Winrar’ом папки Program Files размером 929Мб, перемежающаяся с прогонами 3D Mark) была получена на частоте 2070Мгц (180х11,5).

Дальнейший разгон приводил к нестабильной работе, а системная плата при включении иногда начинала мигать светодиодами на тему «on-board memory error». Наверняка при поднятии напряжения можно было бы выжать и больше мегагерц, но как я уже писал, такой задачи не ставилось.

8.3. Температурный режим CPU

Замеры производились при комнатной температуре 35 градусов, специально для эмуляции летних условий были использованы калорифер и термовентилятор. Температуру зоны конденсации померить оказалось практически невозможно из-за сложной формы радиатора. Показания температуры процессора снимались в течение часа прокрутки 3D Mark и двухчасового рендеринга в 3DS Max при помощи утилиты PC Alert 4, идущей в комплекте с системной платой.

Следует отметить, что температура системы всего на 7 градусов выше комнатной, до установки ТТ она была на 15 градусов выше комнатной (да, вот такая вот убогая у меня вентиляция в корпусе), что достигается благодаря выводу процессорного тепла прямо в окружающий воздух. 53 градуса на разогнанном почти в полтора раза процессоре при 35 градусах в комнате, по-моему, неплохие показатели для пассивной системы охлаждения! При этом ТТ не издает никаких звуков, потому что в ней нет пузырькового кипения, создающего шум в испарительных системах.

Проведенные тесты показывают, что была изготовлена весьма эффективная система охлаждения, которая в моем случае обошлась в 40$ (цена медной высоковольтной шины). Кстати, у меня осталось около 15 килограмм медной стружки, которую я сдал по доллару за килограмм, в результате затраты на систему составили только 25$. Эксплуатация системы в течение месяца не выявила никаких проблем.

• Высокая эффективность
• Полная бесшумность
• Высочайшая надежность
• Возможность увеличения отводимой мощности путем добавления секций в зону конденсации или использования для нее активного охлаждения.
• Отсутствие внешнего питания.
• Эффективная работа при температуре воздуха в комнате до 35 градусов (возможно и больше).
• Несомненная прогрессивность подобных систем охлаждения.
• Возможность многократного уменьшения размеров при активном охлаждении зоны конденсации.
• Максимальная отводимая ТТ мощность, на порядок превышающая современное тепловыделение процессоров.
• Доступность материалов для изготовления и их дешевизна.
• Огромное удовольствие от творческого процесса изготовления, и особенно от достигнутого результата.

Уверен, что после прочтения списка плюсов, вопросы вроде «А зачем же было так извращаться?» отпадут сами собой.

• Изготовление системы занимает немало времени, хотя ничего сложного в ней нет, просто приходится выполнять много однотипных операций.
• Некоторая сложность монтажа в корпус.

Моя система была построена безо всяких расчетов (кроме приблизительного расчета радиатора) только на знании общих принципов теории ТТ, и из первых попавшихся материалов. Некоторые сомнения вызывает эффективность фитилей от керосиновой лампы, видимо они работают на пределе, поэтому чернение и не дало снижения температуры процессора. ТТ была сделана прямой, что привело к небольшим трудностям при ее установке.

Для дальнейшего совершенствования системы я вижу следующие пути:

1. Главная задача – изготовление фитиля из спеченного медного порошка в домашних условиях. Такой фитиль будет практически вечным и очень эффективным. Мои первые опыты в этом направлении дали неплохие результаты, но их описание выходит за рамки этой статьи.
2. Изготовление Г-образной трубы, в которой радиатор будет идти параллельно корпусу компьютера, это упростит монтаж. Может быть, удастся изготовить Т-образную трубу, и даже трубу, охватывающую весь корпус по периметру, которая позволит отводить и рассеивать до киловатта(!) тепла, правда не знаю, зачем она может практически понадобиться, но сам факт!
3. Предварительный подробный теоретический расчет ТТ, который наверняка позволит увеличить эффективность и уменьшить габариты.
4. Повышение коэффициента теплоотдачи пассивного радиатора на зоне конденсации для уменьшения ее размеров.
5. Большое снижение стоимости и очень большое снижение веса путем применения алюминия в корпусе и ребристо-пластинчатом радиаторе (зона испарения, разумеется, только из меди, возможно даже с электрохимическим серебрением). Алюминий, по-моему, более доступен, чем медь. Конечно его теплопроводность примерно в 2 раза меньше, но это не должно существенно сказаться на эффективности радиатора, для которого главное – площадь.
6. Использование сплава Вуда для соединения ТТ и процессора. Сплав имеет теплопроводность на порядок выше, чем термопаста.