Posljednji članci

Fazno promenljivo hlađenje – princip rada

Ovom prilikom želimo da vam prenesemo naša zapažanja i naša saznanja o principima rada fazno promenljivih hlađenja, tj. u kratkim crtama ako želitre da ekstremno overklokujete procesor sa temperatiruama nižim od 50 stepeni celzijusa i to kad god želite, e tom slučaju verujemo da će vam se ovaj tekst dopasti. Da bi smo ohladili processor na temperature nižu od ambijentalne potrebno je da koristimo tzv. toplotnu pumpu.

 

Autor: Goran Mihajlović

 

Toplotne pumpe su uređaji koji vrše odvođenje ili dovođenje toplote od nekog tela. Zadatak fazno promenjivog hlađenja je da ohladi procesor na temperaturu nižu od ambijentalne. Klasična vazdušna ili vodena hlađenja ne mogu ostvariti ovaj zadatak i nikako ne mogu ohladiti procesor ispod ambijentalne temperature. Faznopromenjiva hlađenja promenom faze radne materije veoma efikasno ostvaruju hlađenja ispod ambijentalne temperature. Ovi uređaji koriste kao radnu materiju freone. Freoni su gasovi nastali specijalno za rashladne uređaje. Imaju pogodna fizička svojstva tj. ključaju u određenom rasponu, zavisno od tipa najčešće od -80°C do -10°C, neagresivni su, ne korozivni i moraju biti neštetni po životnu sredinu, tj. ne smeju izazivati efekat staklene bašte.Kako rade faznopromenjivi uređaji? Odgovor je veoma slično frižiderima ili klima uređajima. Pogledajmo šemu rada ovih uređaja. Vrednosti temperature i pritiska na šemi su okvirne

 

Kompresor vrši sabijanje radne materije (freona) sa vrednosti u tački 1na vrednost u tački 2. U ovom procesu se usisana pregrejana para freona sabija i povećava joj se pritisak i temperatura na oko 65°C. Nakon sabijanja vrši se hlađenje i kondenzacija tj. otečnjavanje u kondenzatoru, koji se prinudno hladi ventilatorom, slično standardnim coolerima procesora. Zbog visoke temperature freona koja iznosi oko 65°C ovo hlađenje se obavlja veoma efikasno i odvodi se velika količina toplote. Kao što se u tački 3 vidi temperatura freona opada na oko 30°C. Tako kondenzovani tečni freon pomoću kapilare se odvodi u isparivač i naglo se širi. Kapilara je veoma tanka cevčica prečnika oko 0,8mm i dužine oko 3m. Uloga kapilare je da stvori razliku pritisaka. Kada tečnost teče kroz kapilaru javljaja se otpor i pojava razlike pritiska. Dužina kapilare i protok kroz nju utiču na veličinu otpora, a samim tim i na pritisak. Duža kapilara i/ili veći protok dovode do većeg pritiska Isticanjem freona na kraju kapilare koji ulazi u isparivač pritisak opada sa 12bar na oko 0bar, a temperatura freonu gotovo trenutno opada na oko -45°C, što odgovara tački 4 na šemi. Freon snažno ključa u isparivaču, poput vode prosute na vrelu ringlu i oduzima veliku količinu toplote i vrlo efikasno hladi isparivač na oko -45°C (kao što bi voda hladila ringlu na 100°C). Isparivač direktno naleže na processor i na taj način ga hladi na temperaturu mnogo nižu od ambijentalne. Freon koji je sada u obliku pregrejane pare freona dolazi u tačku 1 i ciklus se ponavlja. Vidimo da je ovo kružni ciklus koji je praktično identičan onom koji se obavlja u frižiderima.

Temperatura koja se javlja u isparivaču najviše zavisi snage kompresora, efikasnosti kondenzatora, dužine i prečnika kapilare i tipa freona koji se koristi. Najsnažniji faznopromenjivi sistemi koji rade sa jednim kompresorom postižu temperature od oko -55°C, a za niže temperature koriste se tzv. autokaskadni i kaskadni sistemi. Autokaskadni sistemi mogu postići temperature oko -70°C, a kaskadni i niže od -100°C.

Efikasnost već postojećeg sistema može se povećati ugradnjom efikasnijeg ventilatora na kondenzatoru, promenom prečnika ili češće dužine kapilare, punjenjem sistema drugom vrstom freona ili kombinacijom predhodno navedenog. Naravno snažniji kompresor znači i bolje performanse, ali nažalosti i veću potrošnju električne energije kao i buku.

 

U radu sistema veoma je bitno da se potpuno kondenzuje freon kako ne bi dolazilo do ulaska gasne faze u isparivač jer želimo maximalan učinak. Ovo se postiže pravilnim punjenjem sistema i odabirom odgovarajućeg kondenzatora. Još važnije od potpunog otečnjavanja freona u kondenzatoru je da se u tački 1 na usisu kompresora nikako ne pojavi tečni freon. Ako bi se tečni freon pojavio na usisu kompresora došlo bi do njegovog usisavanja i ključanja u kompresoru (zvuk sličan prženju pomfrita) i on bi veoma brzo otkazao. Ovo se izbegava pravilnim punjenjem uređaja. Uređaj se u početku napuni na oko 3bar, a zatim se koristi test grejač na isparivaču i posmatra se rad uređaja. Grejač snagom mora odgovarati nameni uređaja. Za uređaje namenjene dvojezgarnim procesorima koristi se snaga oko 150W, a za četvorojezgarne i do 250W. Na osnovu ovoga se vrši podešavanje količine freona u sistemu i po potrebi se on dodaje ili oduzima. Pravilno punjenje zahteva strpljenje i potpuno razumevanje procesa, karakteristika kompresora, odabranog freona i umeća graditelja uređaja.

 

 

 

Punjenje sistema freonom R507

 

Neki od najčešće korišćenih radnih materija ili freona, sa odgovarajućim tačkama ključanja su:

 

 

*    – gasovi namenjeni 1 stepenim faznopromenjivim sistemima hlađenja

**    – gasovi namenjeni 2 stepenim kaskadim faznopromenjivim sistemima hlađenja

***    – gasovi namenjeni 3 i 4 stepenim faznopromenjivim sistemima hlađenja

 

 

Vidimo da nisu svi od navedenih gasova pogodni za takozvana jednostepena faznopromenjiva hlađenja. U krajnje desnoj koloni navedena je kritična temperatura, tj. temperatura iznad koje nije moguće kondenzovati dati gas. Očigledno je da npr. Ethen (R1150) nije moguće kondenzovati na sobnoj temperaturi od 20C jer kritična temperatura iznosi 9,5°C. Kritična temperatura je maximalna temperatura pri kojoj se neki gas može prevesti u tečno stanje. Preko ove temperature može postojati samo u gasovitom stanju. Da bi kondenzovali Ethen moramo na neki način hladiti kondenzator ispod ambijentalne temperature. Ovo se postiže pomenutim 2 stepenim kaskadnim sistemima na taj način što isparivačem prvog stepena hladimo kondenzator drugog, a isparivač drugog stepena montiramo direktno na procesor. Na ovaj način možemo postići izuzetno niske temperature i do -100°C. Ovom prilikom nećemo ulaziti dublje u problematiku kaskadnih i autokaskadnih sistema (koriste sistem kaskade ali sa samo jednim kompresorom) jer su složeni i za njihovu realizaciju je potrebno veliko znanje i porilična količina novca.

 

{jospagebreak_scroll title=Teorija i principi rada}

 

Da bi bolje razumeli rad faznopromenjivih sistema i naučili kako možemo postići što bolje karakteristike i kvaliteniji rad sistema, moramo razjasniti neke teorijske osnove i neke fizičke veličine.

 

Pritisak se definiše kao odnos sile koja deluje na neku površinu i veličine te površine. Što je sila (F) veća ili površina (A) manja pritisak (P) je veći. Ovde važi veoma jednostavna relacija P=F/A. Okruženje u kome živimo takođe je izloženo pritisku, kao posledica delovanja atmosferskog pritiska. Za pojednostavljenje možemo uzeti da je to 1bar. Pritisak se meri manometrom. Kada merimo atmosferski pritisak manometar pokazuje 0bar jer manometri mere pritisak od atmosferskog pritiska kao polazne tačke i stoga pokazuju vrednost pritiska iznad atmosferskog pritiska.

 

Vakuum predstavlja pritisak manji od atmosferskog i meri se vakuummetrom. Vakuummetar pokazuje koliko je pritisak manji od atmosferskog pritiska i pokazuje 0bar na atmosferskom pritisku i -1bar u totalnom vakuumu.

 

Apsolutni pritisak je pritisak meren u odnosu na potpuni ili totalni vakuum. U svemiru vlada praktično totalni vakuum.

 

Temperatura je osnovna jedinica SI sistema i svima je dobro poznata veličina.

 

Toplota je oblik energije koji se ne može videti, jedino se mogu videti efekti njenog delovanja. Jedinica za toplotu (Q) je u stvari jedinica za enegriju, tj. Joul.

 

Entalpija (h) je ukupna količina toplote u 1kg neke materije. Jedinica za entalpiju je kJ/kg.

 

Latentna toplota isparavanja ili kondenzacije je energija potrebna za promenu faze neke materije. U ovom slučaju govorimo reč je o toploti potrebnoj za isparavanje ili kondenzaciju radne materije. Šta je glavna odlika latentne toplote. Rekli smo da je toplota oblik energije. Latentna toplota je skrivena energija. Prilikom zagrevanja 1 litra vode temperature 80C, potrebno je dovesti 4,187KJ energije da bi mu se temperature povećala na 81°C. Ako dovodimo toplotu i povećavamo temperaturu posmatrane količine vode, navedena količina energije trebaće nam za svaki naredni stepen. Na temperaturi od 100°C događa se nešto vrlo neobično. Dovođenjem energije temperature vode ostaje nepromenjena. Gde odlazi sva ta dovedena energija? Odgovor je latentna toplota isparavanja. Ova toplota se troši na promenu faze tj. na  isparavanje vode. Da bi isparili 1kg vode potrebno mu je dovesti 2,26MJ energije. Za poređenje navešćemo da je za zagrevanje 1l vode od 0C do 100C potrebno dovesti ~0,42MJ energije. Očigledno se u latentnoj toploti skriva ogromna energija i  da je za vodu ona čak 5,38 puta veća od energije potrebne za zagrevanje vode od 0 do 100°C. Freoni koji se koriste u faznopromenjivim sistemima imaju izuzetno visoke vrednosti latentne toplote isparavanja/kondenzacije.

 

Temperatura isparavanja/kondenzacije je temperature pri kojoj radna materija menja stanje, tj. isparava ili kondenzuje. Bitna karakteristika svih gasova i tečnosti je da ona zavisi od pritiska. Svi znamo da voda ključa na 100°C pri normalnim uslovima, tj. na nivou mora (pominjani atmosferski pritisak). Međutim na recimo 3000m visine pritisak je niži pa voda ključa na 89°C. To je zbog toga što pritisak na 3000m iznosi oko 70% normalnog atmosferskog pritiska na nivou mora. Nasuprot ovome, sa povećanjem pritiska temperatura ključanja vode povećava se preko 100°C. Međutim postoji jedna maximalna vrednost temperature preko koje voda uvek mora biti u gasovitom stanju, u obliku vodene pare. Ova vrednost za vodu je 374°C i odgovara pritisku od 220bar.

 

Da bi smo bolje razumeli povezanost temperature isparavanja i pritiska pogledajmo dijagram temperature isparavanja za gas propan C3H8.

 

 

Dijagram pritisak-temperatura za gas propan (R290) – možda i nepotreban, ali lepo ilustruje

 

 

Na vertikalnoj skali dijagrama nalazi se pritisak. Vrednost od 1bar odgovara atmosferskom pritisku. Na horizontalnoj skali je naznačena temperature. Na dijagramu se vidi kriva linija koja predstavlja tačne vrednosti temperature isparavanja za određeni pritisak.. Iznad krive linije je tečna faza, a ispod gasna. Na primer pri atmosferskom pritisku vidimo da propan ključa na niskih -42°C, a da recimo na 12bara kondenzuje na oko +30°C. Takođe vidimo da dijagram ima prekid na desnom kraju pri kritičnoj temperaturi od Tc=+97°C i dosta visokom kritičnom pritisku od Pc=42,5bar. Kompresori dostupni samogradnji faznopromenjivih rashladnih sistema imaju maximalni pritisak potisa u granicama 20-25bar, a češće od 18-20bar. Izbor odgovarajućeg gasa se svodi na proveru potrebnog pritiska za kondenzaciju na temperaturi od +40°C. Za propan vidimo da je to oko 15bara što odgovara uslovima. Za neke gasove bi taj pritisak bio previsok i za npr. ugljendioxid bi pri +30°C (kritična temperatura mu je veoma bliskih +31°C ) iznosio preko 70bar. Jasno je da je tako nešto neostvarivo, a za neke gasove je kritična temperatura i ispod ambijentalne. Ovi gasovi su ipak upotrebljivi i koriste se u autokaskadnim i kaskadnim sistemima gde se kondenzuju isparavanjem gasa koji ima višu temperaturu kondenzacije. recimo koriste se kombinacije R402a/R1150, R402a/R23, R402a/CO2+R402a i slične.

 

Pogledajmo idealizovani dijagram pritisak-entalpija za naš jednostepeni faznopromenjivi rashaldni sistem.

 

 

U tački 1 se nalazi para freona koju usisava kompresor i sabija je na viši pritisak (tačka 2). U tački 2 vidimo da imamo pregrejanu paru freona. U kondenzatoru dolazi do kondenzacije (2 do 3) i otpuštanja toplote u okolinu. U tački 3 imamo potpuno otečnjen fron. Prolaskom kroz kapilaru freon se naglo širi uz opadanje pritiska i dolazi u tačku 4. U tački 4 freon ključa i imamo i tečno i gasovito stanje freona. Freon oduzima veliku količinu toplote isparivaču i zagreva se dolazeći ponovo u tačku 1. Ovaj sistem je tzv. levokretni ckružni ciklus i karakterističan je za sve rashadne uređaje.

 

 

{jospagebreak_scroll title= Elementi sistema faznopromenljivog hlađenja }

 

Kompresor

 

Predstavlja mehaničke uređaje koji služe za komprimovanje radne materije-gasa sa nižeg na viši pritisak. U kućnoj rashladnoj tehnici najčešće su u upotrebi hermetički zatvoreni klipni (sa rotacionim klipom) ili vijčani kompresori (mnogo ređe). Klipni kompresori su manje efikasni od vijčanih, ali i jeftiniji. Vijčani kompresori u proseku mogu ostvariti niže pritiske na usisu i zbog toga obezbeđuju niže temperature isparivača. Klipni kompresori se prave uglavnom za manje snage i mogu se naći u frižiderima i zamrzivačima. Kompresori većih snaga su ili klipni (rotacioni klip) ili ređe vijčani (uglavnom dosat većih snaga) i nalaze se uglavnom u klima uređajima ili drugim vrstama rashaldne opreme.

 

 

Kompresori koji se koriste u frižiderima i zamrzivačima

 

 

Kompresori koji se koriste u klima uređajima

 

 

 

Kondenzator

 

Ima ulogu da se u njemu kondenzuje freon i da efikasno odvede veliku količinu toplote. Sastoje se od bakarne zmija cevi i velikog broja aluminijumskih listića. Ventilator obezbeđuje strujanje vazduha preko listića i povećava efikasnost kondenzatora. Ovde važi slično pravilo kao i kod običnih vazdušnih coolera za procesore da veći hladnjak i snažniji ventilator obezbeđuju bolje hlađenje, ali to često dovodi do povećane buke pa je kao i kod klasičnih coolera potrebno naći optimalnu veličinu.

 

 

Kondenzator faznopromenjivog rashladnog uređaja

 

 

 

Kapilara

 

Kapilara je veoma tanka cevčica velike dužine. Cilj kapilare je da obezbedi razliku pritiska na potisu i na usisu kompresora, praktično deleći kržni proces na dva dela, deo pod visokim pritiskom i deo pod niskim pritiskom. U deo pod visokim pritiskom spada deo potisnog voda od kompresora do kondenzatora, kondenzator i kapilara, a u deo pod niskim pritiskom spada isparivač i deo voda od isparivača do usisa kompresora – usisni vod. Kod jednostavnih i jeftinijih faznopromenjivih sistema kao prigušni element koji obezbeđuje pomenutu razliku pritiska koristi se kapilara jer je veoma jeftina. Kod složenijih i skupljih sistema u upotrebi su i termoekspanzioni ventil (TEV) ili automatski ekspanzioni ventil (AEV). Termoekspanzioni ventil ima regulaciju pomoću vijka koji omogućava podežavanje, kao i sondu termostata koja se montira na usisni vod kompresora i preko koje ventil vrši automatsku regulaciju potrebnog protoka freona na osnovu temperature usisnog voda. Ovo omogućuje laku regulaciju i podešavanje sistema kako bi davao optimalne razultate. To je daleko jednostavnije rešenje od kapilare jer kod finog podešavanja sistema nije potrebno menjati dužinu kapilare i svaki put ponovo puniti sistem freonom.Kod kapilare pritisak prigušenja zavisi od dužine, prečnika, protoka freona, kao i vrste freona koji se koristi jer nastaje kao posledica otpora strujanja (pad pritiska) freona koji protiče kroz kapilaru. Ovo dovodi do složenog određivanja potrebne dužine kapilare i nije uvek lako odrediti pravu dužinu i često dovodi do traganja za pravom dužinom. Iskustvo graditelja pomaže u pronalaženju prave dužine, a širom internete mogu se pronaći preporuke o optimalnoj dužini za određeni tip freona i snagu kompresora. Nažalost termoekspanzioni ventili imaju visoku cenu. Automatski ekspanzioni ventili (AEV) su praktično isti kao TEV osim što nemaju termostat i ne mogu automatski regulisati protok freona već samo održavaju predpodešeni pritisak. Jeftiniji su od TEV i neuporedivo lakši za regulaciju od podešavanja dužine kapilare.

 

 

TEV i AEV ventili

 

 

Kapilara

 

 

Isparivač

 

U isparivaču dolazi do snažnog ključanja freona i njegovog prelaska u paru freona. Isparivači se prave od bakra koji ima velik koeficijent provođenja toplote, samo malo lošiji od srebra, a neuporedivo je jeftiniji. Bakar se veoma dobro tvrdo lemiti, a kako je potrebno napraviti hermetički zatvoren isparivač, bakar se nameće kao logičan izbor u odnosu na npr. aluminijum koji ima lošiji koeficijent provođenja toplote i jako se teško tvrdo lemi. Za tvrdo lemljenje aluminijuma neophodna je posebna vrsta dosta skupog dodatnog materijala-lema i odgovarajuće paste za lemljenje. Kako je cilj korišćenja faznopromenjivih rashladnih sistema za hlađenje procesora postizanje vrhunskih rezultata i izuzetno niskih temperatura aluminijum “ispada iz igre” zbog navedenih faktora. Najčešća konstrukcija isparivača je spiralnog tipa gde se freon pomoću kapilare dovodi na dno isparivača, a pare freona struje uz spiralu na čijem kraju je zalemljena deblja cev od bakra i na nju je zalemljena fleksibilna cev usisa. Fleksibilna cev usisa koristi se zbog potrebe da se isparivač pomera i u radu. Za fleksibilnu cev se najčešće koriste rebraste savitljive cevi od nerđajućeg čelika.

 

 

Isparivač sa delom usisne cevi (Cu), kapilarom i omotačem (levo) koji se tvrdo lemi na telo od bakra i hermetički zatvara isparivač

 

 

Isparivač sa fleksibilnom usisnom cevi od nerđajućeg čelika

 

 

 

{jospagebreak_scroll title=Izolacija i gotov proizvod}

 

Svi delovi faznopromenjivog sistema koji su u radu na niskoj temperaturi izoluju se Armaflex izolacijom kako bi se smanjili gubici i povećala efikasnost sistema. Pored ovoga sprečava se kondenzovanje vlage iz vazduha i formiranje naslaga leda koje bi se po isključenja sistema topile i dovodile do neprijatnog curenja vode iz uređaja.

 

 

Termički izolovani isparivač sa usisnim vodom

 

 

 

Gotov sistem

 

WP-Backgrounds Lite by InoPlugs Web Design and Juwelier Schönmann 1010 Wien