Охлаждение материалов газами, жидким азотом и сухим льдом
Регулирование температуры — это необходимый фактор обеспечения качества продукции в пищевой промышленности, металлообработке и некоторых других отраслях промышленности. В последнем случае, тепло воздействует на металл на многих стадиях производственного процесса — при этом, тепло может влиять на размеры металлических деталей, а также и на структуру металла. Для охлаждения металла, всегда требуется определенное время; в некоторых случаях, время некритично, и могут использоваться пассивные способы охлаждения или охлаждение циклическим хладагентом. Однако, в определенных случаях требуется максимальное уменьшение времени, затрачиваемого на охлаждение — и тогда помочь быстро охладить металл могут жидкий азот или сухой лед (отвержденный диоксид углерода CO2).
Жидкий азот
Для того, чтобы понизить температуру 1 кг металла с +20°C до -196°C, требуется от 0,5 до 1 литров жидкого азота. При использовании жидкого азота следует обращаться с ним так же осторожно, как, например, с кипятком, принимая во внимание опасность холодного ожога.
Сухой лед
Для того, чтобы понизить температуру 1 кг металла на 98°C, потребуется около 0,2 кг сухого льда, который можно, в том числе, распылять в виде «снега» или засыпать вокруг охлаждаемой детали в виде зерен.
Охлаждение бетона жидким азотом
Как частный случай использования жидкого азота для охлаждения материалов можно упомянуть охлаждение бетона, особенно на основе портландцемента и геополимерных сортов бетона. Затвердевание бетона — это экзотермический процесс, то есть, при затвердевании бетона выделяется тепло, причем немалые его количества. В случае, если высока температура окружающей среды, или используется цемент с температурой выше примерно +70°C, в процессе затвердевания бетона температура в нем может подняться до уровня, угрожающего нарушением геометрии массива бетона и образованием трещин. Особое внимание равномерному затвердеванию бетона следует уделять, когда он используется для строительства важных и особо требовательных к прочности конструкции сооружений, таких как мосты, тоннели, резервуары хранения, когда требуется создание особо объемных массивов бетона, как при строительстве дамб и больших фундаментов, а также вообще в жарком климате или в жаркую погоду.
Одним из способов предотвратить образование трещин в бетоне в процессе его затвердевания является охлаждение жидким азотом, которое обходится относительно недорого и уже успело на практике доказать свою эффективность. Охлаждать жидким азотом можно цемент, песок и гравий, воду, используемую для приготовления смеси, а также бетономешалку. Кроме высокой эффективности и дешевизны, к преимуществам использования жидкого азота можно отнести гибкость и простоту регулирования охлаждения.
Охлаждение шлангов жидким азотом
Гидравлические шланги, или рукава низкого, среднего и высокого давления, состоят из внутренней трубки из того или иного сорта натуральной или синтетической резины (каучука), слоя армирования из прочных текстильных или металлических нитей и внешней трубки. Армирование шлангов требуется для усиления прочности шлангов и предотвращения их разрыва — и в некоторых, даже во многих, шлангах имеется несколько слоев армирования, разделенных относительно тонкими промежуточными прослойками.
В процессе производства гидравлических шлангов возникает необходимость намотать на внутреннюю трубку армирующие нити (разумеется, делается это автоматически, а не вручную). Усилие, требующееся для качественной, точной и плотной намотки нитей армирования, без принятия дополнительных контрмер приводит к деформации внутренней трубки. Разумеется, производители шлангов знакомы с этой потенциальной проблемой, и традиционно решают ее помещением внтуренней трубки на специальный поддерживающий механизм, что сильно усложняет технологический процесс.
Альтернативным способом предотвращения деформации шлангов при намотке слоя армирования является охлаждение внутренней трубки жидком азотом. Для этого, перед попаданием в установку намотки нити, шланг пропускается через камеру-азотный охладитель, обычно примерно двухметровой длины. В камере, на внутреннюю трубку дозированно разбпызгивается жидкий азот, имеющий температуру -196°C. На выходе из камеры, внутренняя трубка шланга имеет твердость, достаточную для намотки на нее слоя армирования без применения дополнительных поддерживающих механизмов. Камера позволяет регулировать количество подаваемого в сопла-разбрызгиватели азота, проста как в эксплуатации, так и в обслуживании. На данное время подобные камеры-охладители предлагаются как уже стандартное, проверенное решение такими компаниями-поставщиками промышленных газов, как Linde Gas, которая предлагает производителям шлангов стандартные жидкостноазотные охладители для рукавов диаметром до 2 дюймов (50 мм).
Охлаждение алюминиевого шлака аргоном
При любом процессе производства расплавленного алюминия в печи образуется алюминиевый шлак, который может содержать до 80% (по массе) алюминия. Для начала процесса извлечения алюминия из шлака требуется, прежде всего, охладить шлак — иначе, содержащийся в нем алюминий окислится (алюминий легко и очень быстро окисляется при температуре выше 400°C), сделав дальнейшую работу со шлаком сложной и экономически неоправданной. Охлаждать алюминиевый шлак воздухом нельзя, водой — опасно (из-за возможной диссоциации воды на водород и кислород при высоких температурах) и сильно усложняет конструкцию охладителя. Существующие механические агрегаты (вибростолы, роторные барабаны, перевернутый колокол с гидрозапором) используют в конструкции множество движущихся частей, сложны, ненадежны, дороги в обслуживании и, наконец, не могут охлаждать все типы алюминиевого шлака.
Решением, лежащим, в-общем-то, на поверхности, является медленное охлаждение алюминиевого шлака в герметичном контейнере, заполненном инертным газом. Подобные охладители, например, разрабатывает и производит базирующаяся в канадской провинции Квебек компания STAS: охладители алюминиевого шлака, предлагаемые STAS, это, по сути, просто герметичные контейнеры с полкой для шлака. Охладитель продувается аргоном; азот, как правило, использовать нельзя из-за образования нитридов. Шлак забирается из печи специальным ковшом, и как можно быстрее перемещается на полку (каждая минута промедления может обойтись примерно в 1% окисленного алюминия). Контейнер герметично закрывается, и в него начинает подаваться аргон — сначала с довольно большой скоростью, а затем, когда внутри контейнера образовалась защитная аргоновая атмосфера, лишь в малых, поддерживающих количествах. Обычно, с большинством типов алюминиевого шлака, время цикла охлаждения от 700-800 до 400°C составляет порядка 6 часов. Из преимуществ аргонового охлаждения алюминиевого шлака можно выделить:
— низкие начальные капиталовложения и низкие затраты на обслуживание
— самый высокий процент выделения алюминия из охлажденного шлака
— для охлаждения не используется вода → безопасность
— нет пыли, как при использовании механических охладителей → не нужен пылеуловитель
— может охлаждать любой шлак, в том числе и высоко химически активный
— компактность и гибкость в установке
— не нужна инфраструктура (подразумевается, что аргон закупается на стороне)
Источник
Уходим ниже нуля
Вышла статья про охлаждение жидким азотом «Уходим ниже нуля», которая впервые была опубликована в журнале «Железо» (январь 2005). Она писалась с учетом аудитории журнала, поэтому заядлым экстримщикам она может показаться неинформативной. Но надеюсь, остальные получат удовольствие от её прочтения.
Привет! Ответь на вопрос, много ли способов охлаждения своего железного коня ты знаешь? Твой комп, скорее всего, охлаждается воздушной системой, про жидкостное охлаждение, думаю, тебе не раз доводилось слышать. А знаком ли ты с системами на основе фазового перехода? Возможно, у тебя возникла ассоциация с «фреонкой», но сегодня речь пойдет не об этом страшном агрегате. Мы поговорим об охлаждении с использованием жидкого азота.
Жидкий азот
Напомнить что такое жидкий азот? Позволю себе процитировать большую советскую энциклопедию: «Азот (от греч. azoos — безжизненный, лат. Nitrogenium), N, химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса».
Также хочу добавить, что в воздухе, которым мы дышим, содержится более 78 процентов азота, так что он почти безопасен. Я сказал почти, потому что в данном случае мы имеем дело с жидкой формой этого вещества. При испарении азот вытесняет воздух и, есть некоторая вероятность банально задохнуться. Именно по этой причине все эксперименты следует проводить в просторном, проветриваемом помещении. Температура кипения жидкого азота –196 градусов Цельсия, правда это не значит, что мы охладим необходимый элемент до данной температуры, но не буду забегать вперед.
Надеюсь, что хотя бы частично с основами разгона, ты знаком, поэтому сразу начну с описания охлаждающего «стакана» и нашей мегасистемы .
Операция «Стакан»
Обычно, для охлаждения процессоров (а мы будем охлаждать именно проц) используются кулеры или ватерблоки. Для наших нужд они не подойдут, так как ни одна система не выдержит таких низких температур, а воздушные кулеры вообще для жидкостей не предназначены. Нам нужна емкость, в которую можно было бы залить хладагент и закрепить эту емкость на процессоре. Я не стал изобретать велосипед и принялся за изготовление самой распространенной конструкции.
«Стакан» представляет собой трубу длиной 30-40 см, диаметром 40-50 мм с основанием 55х55 мм толщиной 10-15 мм на одном из концов трубы. Труба приваривается или припаивается к основанию. Предпочтительнее всего изготавливать «стакан» из меди. Получившаяся конструкция как нельзя лучше подходит для наших нужд.
Первая версия «стакана» должна была быть изготовлена из алюминия. Нужный кусок меди достать сразу не удалось и пришлось использовать то, что есть. Мой напарник IgormanS достал основание и трубу, а в мои обязанности входило спаять данные детали. Увы, но осуществить это не удалось, так как основание было из дюрали и упорно не хотело припаиваться к трубе. Пришлось искать медь. В этот раз поиски увенчались успехом, и мы получили вот такую конструкцию:
Конечно, он был далек от идеала, так что пришлось поработать дремелем – оружием моддера, чтобы придать ему божеский вид и необходимые габариты .
В основании «стакана» сделаны четыре углубления, для крепления за монтажные отверстия вокруг сокета. Для того чтобы надежно зафиксировать «стакан» на процессоре, из куска оргстекла была изготовлена прижимная пластина.
В сами отверстия на плате были вставлены болты, и с помощью прижимной пластины конструкция была закреплена на плате. Естественно, необходимо проложить в отверстия между болтами и платой диэлектрик, а также не забыть нанести на процессор термопасту. Что ж, предварительная сборка прошла успешно.
Подготовка к ядерной зиме
У такого способа охлаждения есть один большой минус – все элементы, находящиеся в непосредственной близости от азотного «стакана», покроются снегом. Попросту говоря, будет образовываться конденсат. Пришлось заняться изоляцией.
Со «стаканом» проблем не возникло, так как в его конструкции использована стандартная водопроводная труба. Теплоизоляция к ней продается в любом сантехническом магазине.
С материнской платой все гораздо сложнее. Она промерзает насквозь, и конденсат «выпадает» в радиусе 15 см вокруг сокета. Обычно, в таких случаях используют какие-нибудь диэлектрики, например, силикон или диэлектрические смазки. Я же использовал вазелин . Он вполне подошел для наших целей, а цена в 10 рублей не может не радовать. Пришлось наносить его вокруг сокета, да и в сам сокет положить немного, чтобы при охлаждении, выпавший конденсат не закоротил ножки проца. Нижняя часть платы тоже без изоляции не осталась. Существуют способы обойтись вообще без изоляции, но об этом как-нибудь в другой раз.
Мегасистема
Конечно, мегасистемой я называю ее в шутку — таковой она являлась бы года 4 назад. Сейчас ее правильнее назвать подопытным кроликом . Для первого запуска устаревшая система выбрана неспроста — отправлять на тот свет, в случае неудачи, новенький Athlon64 как-то не хочется.
Тестовый стенд
CPU: AMD Athlon 1400 МГц (Thunderbird)
Материнская плата: Chaintech 7VJDA (KT266A)
Видеоадаптер: MSI GeForce 2MX
RAM: 256Мб RAM (Micron)
HDD: IBM 8,1 Гб
Блок питания: Delta Electronics DPS-300TB 300W
Монитор: LG Studioworks 56i
Обычно, в случае экстремального разгона железо подвергают различным модификациям. Поскольку, рекордов на этом старом драндулете не поставишь, и надо было лишь отработать саму технику разгона, то особых модификаций не проводилось. Единственное, что я сделал – перепаял на материнской плате конденсаторы вокруг сокета. И то, только потому, что родные уже начали вздуваться.
Также я приобрел ThermalTake Copper Shim, чтобы свести к минимуму возможность скола ядра процессора своим «стаканом».
Помимо самой системы были вытащены из запасников или куплены следующие полезные вещи:
-> мультиметр MASTECH M390C+. У этого мультиметра есть возможность измерения температуры, именно поэтому он присутствовал на эксперименте. Заявленные значения температур, которые он может измерить: -50 — +400 градусов Цельсия. Во время эксперимента нам удалось зафиксировать температуру –129 градусов Цельсия. Более низкие температуры мультиметр, увы, измерить не может.
-> пятилитровый термос с широким горлом. В него наливалось необходимое количество азота для эксперимента.
-> две пары латексных перчаток.
-> пластиковые защитные очки. Азот кипит очень интенсивно и есть шанс, что он может попасть в глаза.
-> пластиковая воронка. Нужна она для того, чтобы весь азот, наливаемый в «стакан», попал именно туда, а не на материнскую плату или другие устройства. Сначала, у меня были сомнения, выдержит ли она низкие температуры, но во время эксперимента я смог убедиться в ее морозоустойчивости .
LN2 party #1
Все необходимое было доставлено в подходящее помещение. Начали со сборки системы. От использования корпуса мы отказались – неудобно, так что просто положили материнскую плату на коробку, предварительно покрыв сокет и околосокетное пространство вазелином. Подключили необходимые устройства, вставили процессор, надели на него Tt Copper Shim, закрепили крепежные болты и установили «стакан». К сожалению, прижимную пластину взять забыли, поэтому «стакан» стоял на процессоре исключительно под тяжестью собственного веса. Пришлось с этим смириться. Термодатчик мы прикрепили к теплоизоляции «стакана» — хотелось узнать, насколько хорошо она справляется со своими обязанностями.
Второй неприятный момент — азот, который за день до этого налили в пятилитровый термос, полностью испарился. Пришлось брать еще из сосуда Дьюара.
Когда все проблемы были решены, мы приступили к разгону. Поставили на стакан воронку, залили азот и запустили систему. Плата запустилась, зашуршал винт, пискнул спикер. Все шло самым наилучшим образом. Правда, процессор запустился на частоте 1300 МГц (100х12,5 + немалая погрешность в 50 МГц) — я забыл переставить джампер на плате. В BIOS’е мы выставили максимально возможное напряжение на ядро и перезагрузили систему. Плата запустилась на той же частоте. А вот попытка установить шину в 133 МГц не удалась. Точнее, джампер мы переставили, и плата даже запустилась, бодро пискнув спикером, но на экране больше ничего не появилось. Не думали мы, что это будет прощальный писк. А температура, тем временем, на поверхности изоляции уже приближалась к –20 градусам Цельсия.
Судя по симптомам, умер процессор, материнская плата даже не пищала. Усопший проц был извлечен из сокета и тщательно осмотрен. Никаких сколов или тепловых повреждений обнаружено не было. В загробный мир он отправился в виде брелка . На этом печальном событии закончилась наша первая LN2 сессия.
Итоги неутешительны: Athlon 1400 МГц заработал на частоте 1300 МГц и умер. По сути, произошел не разгон, а даунклок.
LN2 party #2
К моменту проведения второго эксперимента мы обзавелись собственной лабораторией. В тот день мне позвонили и сказали, что привезли азот. Естественно, его налили в «боевой» термос и долго он бы там не протянул. Пришлось бросать все дела и ехать в лабораторию.
Взамен убиенного Thunderbird’а был приобретен Duron (Spitfire) 750 МГц. Именно его и пустили «под нож».
На этот раз я не забыл про прижимную пластину и, «стакан» был надежно зафиксирован на процессоре. Налив азота в «стакан», я включил систему. Не последовало даже писка спикера. Неужели и Duron отправился к праотцам? Помучавшись еще полчасика, я оставил всякие попытки воскресить систему, которая к тому времени уже основательно промерзла. Так бесславно закончился второй эксперимент.
Азотное баловство
Но ведь азота оставалось еще около трех литров, нельзя же оставлять добро пропадать. И тут я принялся проводить опыты с азотом.
Очень интересно он себя ведет, при попадании в воду: моментально образует ледяную корку на поверхности воды и катается по ней, при этом активно испаряясь. Также я вылил азот на нерабочую материнскую плату. Сначала азот просто кипел, и ничего не происходило, а потом материнскую плату немного перекосило, начался процесс сворачивания ее в бублик .
А еще я выливал азот и на руки, предварительно надев на них перчатки. Ничего особенного: чувствуется холодок, но не более. Хотя если руки вспотеют, то ощущения будут более острыми. Именно поэтому во второй раз я одел под латексные перчатки еще одни – тоненькие хлопчатобумажные. Благодаря им, руки не так быстро увлажнялись и работать было сухо и комфортно .
Внутреннее расследование
После некоторых размышлений было решено проверить материнскую плату, подает ли она вообще признаки жизни. Вставили Duron – тишина, но вентиляторы крутятся, а это уже радует. Наверное от безысходности, решили поставить Athlon. И о чудо! «Буревестник» очень резво запустился, а мать отрапортовала писком об успешном прохождении POST’а. Да, рано мы его на брелок списали. Из этого стало ясно одно – виновата плата. Другие экстримщики сказали, что, возможно, замерзает электролит в конденсаторах цепи питания CPU, когда температура опускается ниже –17 градусов. А какая температура была на них у нас, подумать страшно! Последовав совету, я перепаял конденсаторы на обратную сторону платы. Зрелище не для слабонервных.
Также, я случайно нашел у себя кусок мягкой резины, которую закрепил на обратной стороне платы для лучшей изоляции. Закрепил с помощью болтов и очередной прижимной пластины из оргстекла.
LN2 party #3
В этот раз мы знали, чего ждать от системы. Задача стояла такая: как можно быстрее выяснить частотный предел процессора, пока материнская плата способна работать в таком экстремальном режиме. Поскольку теперь конденсаторы находились на обратной стороне платы, то просто положить ее на коробку не представлялось возможным. Было решено установить плату на импровизированных ножках, изготовленных из болтов и гаек.
Сбор системы прошел уже по известному сценарию – изоляция платы вазелином, подключение устройств, установка и фиксация «стакана». Напоследок расположили термодатчик у дна «стакана», чтобы следить уже непосредственно за его температурой.
К третьей LN2 сессии наш «стакан» представлял собой печальное зрелище. Теплоизоляция местами потрескалась, в некоторых частях была немного порвана. Чтобы она окончательно не отвалилась, мы скрепили ее лентой. Получился эдакий «полосатый жезл».
Собрав тестовый стенд, я залил немного азота в стакан. Когда температура «стакана» опустилась ниже –20 градусов Цельсия, я запустил систему. На этот раз старт прошел без проблем, и пришло время заняться разгоном. Постепенно поднимая шину вместе с напряжением на ядре, мы увеличивали частоту процессора. Множитель менялся пару раз, когда уже невозможно было наращивать частоту шины. После очередной перезагрузки тестовый стенд перестал реагировать на наши действия вообще. Плата в третий раз за свое существование замерзла. К этому моменту наш результат составил 1740 МГц (145х12) при напряжении 2.05 вольта.
Неплохо для старшего в линейке процессора, изготовленного по 0,18 мкм технологическому процессу, хотя есть к чему стремиться, ведь рекорд для ядра Thunderbird составляет 2241 МГц! Через некоторое время плата оттаяла, но при повторных запусках замерзала гораздо быстрее. Мы не стали мучить ее дальше т.к. максимальная частота, которою мы смогли бы достичь — 1875 МГц (150х12,5) — это предел возможностей нашего тестового стенда.
На частоте 1740 мгц (145х12) процессор выделял примерно 120 Ватт тепла, на самом деле это немного по меркам сегодняшних топовых процессоров (взять тот же Prescott).
Конец?
Нет, я бы сказал, что это только начало. Мы получили бесценный опыт, необходимый для дальнейших экспериментов в этой области. Уже почти собраны все необходимые компоненты второй «подопытной» системы, которая обладает большим разгонным потенциалом и, надеюсь, не будет замерзать.
Вместо послесловия
Появилось желание? Захотелось повторить эксперимент? Ничего, сейчас я охлажу твой пыл не хуже жидкого азота .
Во-первых, будут проблемы с изготовлением стакана. 30-40 см трубы диаметром 52 мм нигде не купить. В сантехнических магазинах такие трубы продаются длиной по 2 метра минимум, а стоимость этих 2 метров может перевалить за 600 рублей. Возможно, придется искать на металлобазах и в пунктах приема цветного лома. Чтобы найти основание на стакан, тоже надо побегать, плюс, надо найти человека, который возьмется спаять эту конструкцию или, придется приобретать горелку, то есть еще
Во-вторых, надо подумать, в чем хранить жидкий азот. Простой термос на 5 литров (если у тебя такой имеется) не подойдет — азот испарится из него за сутки, проверено. Обычно, жидкий азот храниться в сосудах Дьюара, но этот сосуд, опять-таки, надо найти и купить или, на худой конец, взять в аренду. Хотя, если достать азот в день эксперимента, то можно обойтись и без сосуда.
В-третьих, подумай, где ты будешь покупать жидкий азот? Это не сигареты — в ларьке не купишь, придется обзванивать фирмы, которые занимаются азотом.
В-четвертых, нужно просторное помещение для экспериментов. Ты же не хочешь, чтобы тебя нашли задохнувшимся в твоей кладовке с азотным «стаканом» в одной руке и с журналом — в другой?
Ну и в-пятых, экстремальное охлаждение и экстремальный разгон – это лучшие способы отправить свое драгоценное железо на тот свет. Где-то не заизолируешь плату и получишь короткое замыкание. Все, о гарантийном обслуживании и говорить нечего!
Задать вопросы по статье можно в этой ветке нашего форума.
Источник
