Системы открытого испарения компьютера. Системы открытого испарения

Системы жидкостного охлаждения

Принцип работы - передача тепла от нагревающегося компонента радиатору с помощью рабочей жидкости, которая циркулирует в системе. В качестве рабочей жидкости чаще всего используется дистиллированная вода, часто с добавками имеющими бактерицидный и/или антигальванический эффект; иногда - масло, антифриз, жидкий металл , или другие специальные жидкости.

Система жидкостного охлаждения состоит из:

Помпы -- насоса для циркуляции рабочей жидкости

Теплосъёмника (ватерблока, водоблока, головки охлаждения) -- устройства, отбирающего тепло у охлаждаемого элемента и передающего его рабочей жидкости

Радиатора для рассеивания тепла рабочей жидкости. Может быть активным или пассивным

Резервуара с рабочей жидкостью, служащего для компенсации теплового расширения жидкости, увеличения тепловой инерции системы и повышения удобства заправки и слива рабочей жидкости

Шлангов или труб

(Опционально) Датчика потока жидкости

Жидкость должна обладать высокой теплопроводностью, чтобы свести к минимуму перепад температур между стенкой трубки и поверхностью испарения, а также высокой удельной теплоёмкостью, чтобы при меньшей скорости циркуляции жидкости в контуре обеспечить большую эффективность охлаждения.

Фреоновые установки

Холодильная установка, испаритель которой установлен непосредственно на охлаждаемый компонент. Такие системы позволяют получить отрицательные температуры на охлаждаемом компоненте при непрерывной работе, что необходимо для экстремального разгона процессоров.

Недостатки:

Необходимость теплоизоляции холодной части системы и борьбы с конденсатом

Трудности охлаждения нескольких компонентов

Повышенное электропотребление

Сложность и дороговизна

Ватерчиллеры

Системы, совмещающие системы жидкостного охлаждения и фреоновые установки. В таких системах антифриз, циркулирующий в системе жидкостного охлаждения, охлаждается с помощью фреоновой установки в теплообменнике. Данные системы позволяют использовать отрицательные температуры, достижимые с помощью фреоновых установок для охлаждения нескольких компонентов (в обычных фреонках охлаждение нескольких компонентов затруднено). К недостаткам таких систем относится большая их сложность и стоимость, а также необходимость теплоизоляции всей системы жидкостного охлаждения.

Системы открытого испарения

Установки, в которых в качестве хладагента используется сухой лёд, жидкий азот или гелий, испаряющийся в специальной открытой ёмкости, установленной непосредственно на охлаждаемом элементе. Используются в основном компьютерными энтузиастами для экстремального разгона аппаратуры («оверклокинга»). Позволяют получать наиболее низкие температуры, но имеют ограниченное время работы (требуют постоянного пополнения стакана хладагентом).

Системы каскадного охлаждения

Две и более последовательно включенных фреоновых установок. Для получения более низких температур требуется использовать фреон с более низкой температурой кипения. В однокаскадной холодильной машине в этом случае требуется повышать рабочее давление за счет применения более мощных компрессоров. Альтернативный путь - охлаждение радиатора установки другой фреонкой (т. е. их последовательное включение), за счет чего снижается рабочее давление в системе и становится возможным применение обычных компрессоров. Каскадные системы позволяют получать гораздо более низкие температуры, чем однокаскадные и, в отличие от систем открытого испарения, могут работать непрерывно. Однако, они являются и наиболее сложными в изготовлении и наладке.

Системы с элементами Пельтье

Элемент Пельтье для охлаждения компьютерных компонентов никогда не применяется самостоятельно из-за необходимости охлаждения его горячей поверхности. Как правило, элемент Пельтье устанавливается на охлаждаемый компонент, а другую его поверхность охлаждают с помощью другой системы охлаждения (обычно воздушной или жидкостной). Так как компонент может охлаждаться до температур ниже температуры окружающего воздуха, необходимо применять меры по борьбе с конденсатом. По сравнению с фреоновыми установками элементы Пельтье компактнее и не создают шум и вибрацию, но заметно менее эффективны.

Открытая система отопления является самой простой и энергонезависимой системой с естественной циркуляцией. Основана такая система на законах термодинамики. На выходе из котла создаётся повышенное давление, далее горячая вода проходит по трубам в область с более низким давлением, при прохождении теряя температуру.

Далее охлаждённый теплоноситель возвращается обратно в отопительный котёл, где снова нагревается. Происходит естественная циркуляция теплоносителя. Система функционирует исключительно на воде, так как использование антифризов для отопления приводит к их быстрому испарению.

В открытой системе теплоснабжения обязательно наличие расширительного бака, так как нагретая вода расширяется. Расширительный бак служит для приёма излишков воды при расширении и возврата её в систему при остывании, а также для удаления воды при чрезмерном её объёме. Бак герметичен не полностью, поэтому вода испаряется, вследствие чего необходимо постоянно возобновлять её уровень. В открытой системе отопления не используется насос. Система достаточно проста. Состоит из труб, стального расширительного бачка, радиаторов и котла. Применяются дизельные, газовые котлы и котлы на твёрдом топливе , кроме электрических.

В открытой системе отопления вода циркулирует медленно. Поэтому трубы при эксплуатации должны разогреваться постепенно, чтобы избежать их повреждения и закипания теплоносителя. Это может привести к преждевременному износу оборудования. Если в зимний период отопление не используется, то вода из системы обязательно сливается, во избежание замерзания трубопровода.

Чтобы циркуляция теплоносителя осуществлялась на необходимом уровне, необходимо производить монтаж отопительного котла в более низком месте системы, а в самом высоком устанавливать расширительный бак, например, на чердаке. Зимой расширительный бак необходимо утеплить. При установке трубопровода в открытой системе отопления требуется использовать минимальное количество поворотов, фасонных и соединительных деталей.

В закрытой системе отопления все элементы системы герметичны, отсутствует испарение воды. Циркуляция осуществляется при помощи насоса. Так называемая система с принудительной циркуляцией теплоносителя включает в себя трубы, котёл, радиаторы, расширительный бак, циркуляционный насос .

В закрытой системе отопления при повышении температуры клапан расширительного бака открывается и забирает излишки теплоносителя. При понижении температуры теплоносителя циркуляционный насос закачивает его обратно в систему. В данной системе отопления поддерживается давление в заранее установленных пределах. Благодаря этому, осуществляется функция деаэрации теплоносителя.

Для стабильной работы системы закрытого отопления также используется расширительный бак из высокопрочного металла. Это закрытый бак, состоящий из двух половин, завальцованных друг к другу.

Внутри располагается мембрана (диафрагма) из высокопрочной жаростойкой резины. Также внутри имеется небольшой объём газа (может быть азот, который закачивается на заводе-производителе, или воздух, накапливающийся в системе по необходимости). Мембрана разделяет бак на части: одна часть - куда поступают излишки воды при нагреве системы отопления, в другой части находится азот или воздух, не вступающие в прямое соприкосновение с водой. Таким образом, теплоноситель при нагреве поступает в расширительный бак и проникает в мембрану. При остывании теплоносителя газ, находящийся за мембраной, начинает выталкивать его обратно в систему.

Отличия открытой и закрытой системы отопления

Имеются следующие отличительные особенности систем открытого и закрытого отопления:

По месту размещения расширительного бака. В открытой системе отопления бак располагают в наивысшем месте системы, а в закрытой системе расширительный бак можно устанавливать в любом месте, даже рядом с котлом.
Закрытая система отопления изолирована от атмосферных потоков, что препятствует попаданию воздуха. Это увеличивает срок службы. За счёт создания дополнительного давления в верхних узлах системы снижается возможность образования воздушных пробок в радиаторах, расположенных сверху.
В открытой системе отопления используются трубы с большим диаметром, что создаёт неудобства, также монтаж труб осуществляется под наклоном для обеспечения циркуляции. Не всегда имеется возможность скрыть толстостенные трубы. Для обеспечения всех правил гидравлики необходимо учитывать уклоны распределения потоков, высоту подъёма, повороты, заужения, подключение к радиаторам.
В закрытой системе отопления используются трубы меньшего диаметра, что удешевляет конструкцию.
Также в закрытой системе отопления важно правильно установить насос, что позволит избежать шума.

Преимущества открытой системы отопления

простое обслуживание системы;
отсутствие насоса обеспечивает бесшумную работу;
равномерный прогрев отапливаемого помещения;
быстрый пуск и остановка системы;
независимость от электроснабжения, если в доме не будет электричества, то система будет работоспособна;
высокая надёжность;
не требуется особых навыков для установки системы, в первую очередь устанавливается котёл, мощность котла будет зависеть от отапливаемой площади.

Недостатки открытой системы отопления

возможность уменьшения срока эксплуатации системы при попадании воздуха, так как уменьшается теплопередача, в результате чего появляется коррозия, нарушается циркуляция воды, образуются воздушные пробки;
воздух, содержащийся в открытой системе отопления, может вызывать кавитацию, при которой разрушаются элементы системы, находящиеся в кавитационной зоне, такие, как арматура, поверхности труб;
возможность замерзания теплоносителя в расширительном баке;
медленный нагрев системы после включения;
необходим постоянный контроль уровня теплоносителя в расширительном баке для исключения испарения;
невозможность использования антифриза в качестве теплоносителя;
достаточна громоздка;
низкий коэффициент полезного действия.

Преимущества закрытой системы отопления

простой монтаж ;
нет необходимости постоянно контролировать уровень теплоносителя;
возможность применения антифриза , не боясь размораживания системы отопления;
путём увеличения или уменьшения количества теплоносителя, подаваемого в систему, можно регулировать температуру в помещении;
из-за отсутствия испарения воды снижается необходимость её подпитывать из внешних источников;
самостоятельное регулирование давления;
система экономичная и технологичная, имеет более длительный срок эксплуатации;
возможность подключения к закрытой системе отопления дополнительных источников отопления.

Недостатки закрытой системы отопления

самый главный недостаток - зависимость системы от наличия постоянного электроснабжения ;
при работе насоса требуется электричество;
для аварийного электроснабжения рекомендуется приобрести небольшой генератор ;
при нарушении герметичности стыков возможно попадание воздуха в систему;
размеры расширительных мембранных баков в закрытых помещениях большой площади;
бак заполняется жидкостью на 60−30%, наименьший процент заполнения приходится на большие баки, на больших объектах применяются баки с расчётным объёмом в несколько тысяч литров.
возникает проблема с размещением таких баков, используются специальные установки, чтобы поддерживать определённое давление.

Каждый, кто собирается установить систему отопления, сам выбирает, какая система проще и надёжней для него.

Открытую систему отопления, благодаря простоте эксплуатации, большой надёжности, используют для оптимального отапливания небольших помещений. Это могут быть небольшие одноэтажные дачные дома, а также загородные дома.

Закрытая система отопления является более современной и более сложной. Её применяют в многоэтажных домах и коттеджах.

Значительный рост производительности ПК повлек за собой необходимость совершенствовать и системы охлаждения. Если раньше об охлаждении системного блока знали только как о наборе кулеров и радиаторов, то сегодня на рынке можно встретить фрионовые и комбинированные системы с элементами Пельтье. Правильное охлаждение - залог стабильной работы Вашего компьютера , особенно в жаркое время года, когда обычный набор кулеров давно не справляется.

Все разработки в области СВО в последнее время относились к совершенствованию самого хладагента и ускорению процесса охлаждения за счет оптимизации системы движения жидкости. Причем, диапазон цен на такие системы весьма растянут : можно найти бюджетный вариант с небольшой охладительной цепочкой, где в качестве хладагента выступает дистиллированная вода, а можно натолкнуться и на сложные многоуровневые СВО, с дорогими брендовыми радиаторами и вставками из углеродного волокна. Выбор подходящего варианта будет зависеть от условий эксплуатации Вашего ПК и от финансовых возможностей, но сама по себе такая система весьма эффективна и стоит потраченных на ее установку средств.

Превосходство СВО над остальными системами заключается в высоком уровне теплопроводности рабочей жидкости в отличии от аэрогенных охладителей и гораздо более длительной эксплуатацией по сравнению с системами открытого испарения. Также существует множество видеоуроков и инструкций, как сконструировать надежную водяную систему своими руками. Зачастую СВО сделанные самостоятельно ничем не хуже готовых решений от производителей компьютерных комплектующих.

Принцип работы водяного охлаждения

Сам процесс охлаждения представляет собой термодинамическую систему с участием проводящей тепло жидкости и нагревающихся элементов. Отвод тепла от процессора, чипсета, видеокарты, жесткого диска и пр. происходит за счет передачи тепла жидкости через герметичный теплообменник, именуемый ватерблоком. В сложных системах все ватерблоки подсоединены к рассеивающему радиатору, поступая на который вода охлаждается, передавая ему тепло. В воздушных системах охлаждения излишки тепла переносит воздух, теплопроводность которого намного ниже воды, а рассеивание тепла происходит все тем-же способом – через радиатор. Система теплообменников может быть как последовательной, так и параллельной: оба варианта достаточно эффективны. Также возможно смешанное подключение, если в нем есть необходимость ввиду конструкции ПК.

Чаще всего в типовых СВО используют дистиллированную воду, иногда с примесями красителей или люминесцирующих компонент. Вода проходит свой цикл в системе за счет давления, создаваемого помпой. За время прохождения она успевает нагреться (забрать тепло) и остыть, вернувшись в резервуар для повторного цикла.

Основные элементы СВО:

теплоообменник (ватерблок) – не менее 1
радиатор
водяная помпа
фитинги
шланги
дистиллированная вода
датчики температуры

В более продвинутых системах используются также специальные контроллеры для помпы для управления потоком, температурой и расходом воды. Помимо управляющего звена, в СВО также применяют датчики температуры, которые опрашивает контроллер, краны для слива жидкости, фильтры и отсек для воды.

Итак, ватерблок или теплообменник – это, по сути, основное звено в охлаждении элементов ПК. Он состоит из металлического блока (чаще всего медного), который в свою очередь имеет различную конструкцию, начиная с мультиканальной и заканчивая простым плоским дном. От вариаций структуры ватерблока зависит эффективность охлаждения – чем больше площадь касания и теплопроводность металла блока и элемента ПК – тем быстрее нагревающийся элемент, например, процессор, передаст тепловую энергию теплообменнику, а он в свою очередь воде. Обычно ватерблоки ставятся на наиболее важные, сильно греющиеся элементы системного блока: процессор, северный мост, видеокарта и пр.

Вода – основной проводник в СВО. Важно использовать только очищенную от примесей воду: дистиллированную либо деионизированную. Это обеспечит долгий срок службы системы и в разы снизит вероятность загнивания и цветения воды. Также, дистиллированная вода хуже проводит электрический ток, что тоже важно при применении жидкости в устройстве, работающем от электросети.

В качестве движущей силы в СВО выступает помпа – это мини-насос, перекачивающий воду из резервуара в ватерблоки и обратно по циклу. Классифицируются помпы только по виду питания: от 220 либо от 12 В. Сегодня существует огромный выбор таких устройств, ориентированных на любую СВО, поэтому собрать систему самостоятельно не составит особого труда.

Естественно, чтобы создать замкнутую систему, понадобятся специальные трубки, соединяющие помпу, ватерблоки и остальные компоненты СВО. Обычно трубки сделаны из термопластичных полимеров. Они присоединяются к системе с помощью фитингов . Выбор подходящего фитинга важен для герметичности и удобства монтажа.

Когда вода в ватерблоке достаточно нагрелась, помпа перегоняет ее к радиатору . Он служит элементом, который рассеивает тепло, переданное водой. Среди рассеивающих элементов СВО существует 2 вида: активный и пассивный. Активный имеет дополнительное звено охлаждения в виде вентилятора, который помогает воде быстрее принять температуру окружающей среды. Пассивный радиатор намного медленнее охлаждается, но у него есть существенный плюс – бесшумность.
Важно, чтобы все элементы СВО были подобраны правильно: не обязательно брать высокомощную помпу и самый лучший, дорогостоящий ватерблок из тонкой медной пластины. Достаточно рассчитать параметры оптимальной СВО (или взять готовую) с учетом особенностей тепловых процессов в Вашем ПК и скоростью рассеивания тепла отдельных элементов. Если выбор СВО будет сделан удачно, она прослужит не один год. Более того, существуют системы с типовыми универсальными элементами, которые могут подойти ко многим другим комплектующим ПК, если есть необходимость в апгрейде и нужно заменить старые модули на новые.

Сложности, с которыми можно встретиться при эксплуатации СВО ограничиваются периодической заменой воды (специалисты всегда приводят разные цифры, но в среднем воду необходимо менять не реже 1 раза в год, если система без фильтров) и возможная потеря диэлектрических качеств, то есть повышение электропроводности. Последнее может возникнуть опять же при недостаточной частоте замены жидкости в СВО, т.к. в самой дистиллированной воде при эксплуатации системы могут появиться примеси, повышающие проводимость электрического тока.

В целом, СВО имеет много преимуществ перед другими способами охлаждения, так как её надёжность гораздо выше той же системы с открытым испарением , а эффективность в разы больше, чем у обычных кулеров. При использовании водяной системы на промышленных ПК есть не только польза от стабильной работы машины, но и положительный экономический эффект.

Если выбирать среди готовых СВО, то цены на них могут быть достаточно высокими. Но зная физические параметры Вашего компьютера и пользуясь советами специалиста, Вы сможете избежать больших трат, если в них нет необходимости и выбрать экономичную, эффективную систему охлаждения.

4. Системы открытого испарения

Также существуют комбинированные системы охлаждения сочетающие элементы систем различных типов:

1. ватерчиллер;

2. системы с использованием элементов Пельтье.

2.1 Виды систем охлаждения

2.1.1 Системы воздушного охлаждения

Принцип работы заключается в непосредственной передаче тепла от нагревающегося компонента на радиатор за счёт теплопроводности материала или с помощью тепловых трубок (или их разновидностей, таких как термосифон и испарительная камера). Радиатор излучает тепло в окружающее пространство тепловым излучением и передаёт тепло теплопроводностью окружающему воздуху, что вызывает естественную конвекцию окружающего воздуха. Для увеличения излучаемого радиатором тепла применяют чернение поверхности радиатора.

Поверхности нагревающегося компонента и радиатора после шлифовки имеют шероховатость около 10 мкм, а после полировки -- около 5 мкм. Эти шероховатости не позволяют поверхностям плотно соприкасаться, в результате чего образуется тонкий воздушный промежуток с очень низкой теплопроводностью. Для увеличения теплопроводности промежуток заполняют теплопроводными пастами.

Наиболее распространенный тип систем охлаждения в настоящее время. Отличается высокой универсальностью - радиаторы устанавливаются на большинство компьютерных компонентов с высоким тепловыделением. Эффективность охлаждения зависит от эффективной площади рассеивания тепла радиатора, температуры и скорости проходящего через него воздушного потока. На компоненты с относительно низким тепловыделением (чипсеты, транзисторы цепей питания, модули оперативной памяти), как правило устанавливаются простейшие пассивные радиаторы. На некоторые компьютерные компоненты, в частности жёсткие диски, установить радиатор затруднительно, поэтому они охлаждаются за счёт обдува вентилятором. На центральный и графический процессоры устанавливаются преимущественно активные радиаторы (кулеры). Пассивное воздушное охлаждение центрального и графического процессоров требует применения специальных радиаторов с высокой эффективностью отвода тепла при низкой скорости проходящего воздушного потока и применяется для построения бесшумного персонального компьютера.

2.1.2 Системы жидкостного охлаждения

Система жидкостного охлаждения состоит из:

Помпы -- насоса для циркуляции рабочей жидкости

Радиатора для рассеивания тепла рабочей жидкости. Может быть активным или пассивным

Шлангов или труб

(Опционально) Датчика потока жидкости

2.1.3 Фреоновые установки

Недостатки:

Необходимость теплоизоляции холодной части системы и борьбы с конденсатом

Трудности охлаждения нескольких компонентов

Повышенное электропотребление

Сложность и дороговизна

2.1.4 Ватерчиллеры

Анализ устойчивости электротехнической системы

Для анализа устойчивости системы с помощью корней можно воспользоваться характеристическим полиномом передаточной функции замкнутой системы полученной в Практическом занятии №5. Переходной процесс будет устойчив...

Домашние и офисные сети Home Lan - стандарты и оборудование (Home lan и интеллектуальный дом)

Каждому из нас необходима уверенность в том, что мы, наша семья и наши ценности остаются в безопасности 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. С помощью системы домашней автоматизации "Интеллектуальное здание" появляются дополнительные возможности...

Классификация интегральных микросхем

Метод термического испарения (вакуумного напыления) заключается в испарении материалов и осаждении на подложку в высоком вакууме...

Так как защищаемый объект - 3-й этаж то защиту от проникновения злоумышленников через окна устанавливать не надо. В связи с тем что на этаже располагается всего четырнадцать офисов поток сотрудников утром и вечером не будет слишком большим...

Проектирование системы видеонаблюдения и система контроля и управления доступом офисного здания

Пост охраны располагается у одного из входов на этаж, второй вход при этом должен быть заблокирован...

Проектирование системы видеонаблюдения и система контроля и управления доступом офисного здания

Расчёт стоимости для каждого вида оборудования представлен в таблице 8.1. Таблица 8.1 - Расчёт стоимости оборудования Оборудование Модель Количество Стоимость, бел. руб. Итог, бел. руб...

h вх- h0= С0; h0=1; h0=K0/(1- K0)=1. Выполнить это условие при заданной структуре системы невозможно т.к К0 стремится к бесконечности. Чтобы решить эту задачу необходимо включить в систему интегрирующее звено, либо регулятор на ПИ или ПИД структуре...

Разработка регулятора для системы автоматического управления

Выберем ПИД- регулятор, т.к система с ПИ- регулятором имеет, расходящийся переходный процесс...

Разработка регулятора для системы автоматического управления

Рисунок 9. ЛФЧХ системы с ПИД- регулятором. Полюса системы. 0 -23.818771848666735 -1.594099239429514 + 0.804873387107757i -1.594099239429514 - 0.804873387107757i -0.799834046714808 Число правых полюсов равно нулю. Число Переходов ЛФХ через отметку -180 градусов, при ЛЧХ больше нуля равно нулю...

Расчет устойчивости и качества работы системы автоматического регулирования напряжения синхронного генератора

Структурная схема - графическое изображение математической модели автоматической системы управления в виде соединений звеньев. Звено на структурной схеме условно обозначают в виде прямоугольника с указанием входных и выходных величин...

Решение проблемы перегрева графического процессора

Синтез позиционной следящей системы

Составлю функциональную схему линейной системы, зная все элементы автоматизированной следящей системы: Рисунок 1. Функциональная схема линейной системы. а) Электронный усилитель...

Система слежения за направлением

Для цифрового моделирования системы воспользуемся аппаратом Z-преобразования. Для этого непрерывное интегрирование заменим дискретным по методу прямоугольников: (5.1) где T - интервал дискретизации...

Система фазовой автоподстройки частоты

Цифровой измеритель времени

В нашем курсовом проекте используется в качестве управляющего ядра отечественный аналог микропроцессора 8086 процессор К1810ВМ86 (далее просто ВМ86). Данный микропроцессор выполнен в едином сорокавыводном корпусе, по n-МОП-технологии...

Аппараты с открытой поверхностью испарения -это окрасочные ванны, ванны для пропитки тканей и бумаги растворенными смолами, ванны для промывки и сушки деталей, открытые резервуары, емкости и т. п.

Горючая концентрация смеси паров с воздухом над поверхностью такого аппарата образуется, если температура жидкости Т выше температуры вспышки ее паров:

Т≥Т ВСП, (2.1)

Количество жидкости, испаряющейся со свободной поверхности, зависит от физических свойств этой жидкости, температурных условий, площади и времени испарения, а также подвижности воздуха. Различают испарение в неподвижную и движущуюся среду.

При испарении в неподвижную среду рассеивание паров затруднено. Практический интерес представляет закон изменения концентраций пара по высоте над поверхностью испаряющейся жидкости, возможные размеры зоны взрывооласности, количество испаряющейся жидкости.

Над открытой поверхностью испарения жидкости закон изменения концентрации пара (по высоте) можно представить параболой n-го порядка (рис. 2.1). Концентрация пара изменяется от насы-

Рис. 2.1. Изменение концентрации пара по вертикали при испарении жидкости в неподвижную среду

щенной концентрации φ s (у поверхности жидкости) до нуля (на некотором расстоянии от нее). Совместим начало координатной системы с точкой, где концентрация паров равна нулю. Тогда

φ=ау n , (2.2)

где у - координата точки, в которой определяется концентрации пара; а- постоянная, определяемая из граничного условия φ=φ s при y=h. При a-φ s /h n закон распределения концентрации пара по высоте будет иметь вид:

φ=φ s (у/h) n , (2-3)

откуда средняя концентрация паров жидкости

. (2.4)

Расстояние h изменяется в зависимости от длительности испарения. Чтобы связать концентрацию φ и расстояние h с временем τ составим дифференциальное уравнение материального баланса по парам горючей жидкости при условии, что не происходит их рассеивания за пределы вертикального цилиндра с зеркалом испаряющейся жидкости в его основании. Тогда

dG исп =dG a кк, . (2.5)

где. (Gисп - количество испарившейся жидкости; G a кк - количество паров, находящихся (аккумулированных) в воздухе.

Количество испаряющейся жидкости со свободной поверхности можно определить по закону Фика с учетом поправки Стефана на конвективную диффузию:

, (2.6)

где D - коэффициент диффузии паров жидкости в воздухе; dφ>/dy - градиент концентрации; р - плотность паров жидкости.

Значение градиента концентрации получим как производную выражения (2.3):

, (2.7)

У поверхности жидкости, где y = h,

, (2.8)

Подставив (2.8) в (2.6), получим:

, (2.9)

За время" dτ высота зоны распространения паров изменяется на dh. Тогда количество паров жидкости, находящихся в воздухе, будет равно:

, (2.10)

Подставив (2.9) и (2.10) в (2.5) и проинтегрировав, получим

Исследованиями испаряемости нефти и нефтепродуктов установлено, что показатель степени п кривой изменения концентрации паров (при испарении в условиях молекулярной диффузии) близок 2. Такую же закономерность принимаем и для других жидкостей. Тогда

Подставив найденное значение h в (2.3), получим уравнение для определения концентрации пара в любой точке над поверхностью жидкости (в зависимости от продолжительности испарения):

откуда может быть определена координата у точки с любой заданной концентрацией.

Тогда высота опасной зоны над поверхностью жидкости будет

Количество испарившейся в неподвижный воздух жидкости за любой промежуток времени можно определить, подставив (2.13)

Характер испарения в движущуюся среду резко отличается от испарения в неподвижную среду. При конвенктивной диффузии над поверхностью жидкости образуется небольшой толщины пограничный слой с насыщенной концентрацией пара. Затем происходит резкий перепад концентрации. В слоях, лежащих выше пограничного слоя (вследствие интенсивного перемешивания среды при движении), концентрация пара становится примерно одинаковой. Количество испаряющейся жидкости G исп с площади F за время τ определяют по уравнению

где ΔG X - средняя движущая сила массопередачи; К х - коэффициент массопередачи.

Методы определения коэффициента массопередачи К х и средней движущей силы массопередачи Δφ х изучаются в курсе «Термодинамика и теплопередача в пожарном деле».

Снижение пожаровзрывоопасности производств при наличии аппаратов с открытой поверхностью испарения обеспечивают следующие технические решения.

1. Изменение технологических схем (с наличием промывочных, окрасочных ванн и других подобных аппаратов с открытой поверхностью испарения) таким образом, что весь процесс, в том числе загрузка и выгрузка материала, осуществляется изолированно от окружающего воздуха.

2. Замена легковоспламеняющихся жидкостей негорючими или менее пожароопасными жидкостями или составами (см. главу 10 данного учебника).

3. Выбор наиболее рациональной формы открытого аппарата, позволяющей иметь минимальную величину поверхности испарения.

4. Устройство систем отсоса и улавливания выделяющихся при испарении паров жидкости непосредственно у аппаратов.

5. Наличие специальных устройств защиты на случай пожара (крышки для закрывания аппаратов, аварийный слив жидкости, локальная установка пожаротушения).

Следует иметь в виду, что аппараты с открытой поверхностью, испарения, где только позволяет технология, должны быть заменены закрытыми аппаратами. Однако это не всегда приводит к снижению пожарной опасности. Примером могут служить мазутохранилища. При свободном выходе газов из мазута в атмосферу он сохраняет высокую температуру вспышки и в производственных условиях может быть пожаробезопасным. Перевод же мазутохранилищ из открытых в закрытые резервуары существенно повысил бы их пожаровзрывоопасность.