Vesijahutus

Allikas: Vikipeedia
Mine navigeerimisribale Mine otsikasti
Tuumaelektrijaama jahutusveekogu
Soojusvaheti torud jahutusvedeliku jaoks

Vesijahutus on komponentidelt ja tööstus-seadmetelt liigse eralduva soojuse edasi kandmise meetod. Vee aurustamisjahutus on tihti palju efektiivsem kui õhkjahutus. Vesi on odav ning mitte-toksiline, kuigi jahutuseks kasutatav vesi peab olema puhas (destilleeritud), vastasel korral võib see tekitada komponentide korrosiooni.

Vesijahutus on tihti kasutuses auto sisekomponentide (sisepõlemismootor) ja elektrijaamade jahutuseks. Vesijahutid utiliseerivad konvektsiooni kaudu veega soojuse edasi juhtimist, mida kasutatakse ka näiteks kõrgeklassilistes personaalarvutites, et peamiselt protsessorit jahutada.

Lisaks pumpades oleva määrdeaine õli jahutuseks; jahutuseesmärkideks soojusvahetites; kliimatehnikas ja jahutites.

Mehhanism[muuda | muuda lähteteksti]

Eelised[muuda | muuda lähteteksti]

Vesi on odav, mitte-toksiline ning saadaval enamus kohtades Maa peal. Vedelikjahutus on kõrgema soojusjuhtivuse omadusetega, mis teeb selle paremaks õhkjahutusest. Veel on ebatavaliselt kõrge soojusmahtuvus teiste saadaval olevate, toatemperatuuril ja atmosfäärilise rõhu korral olevate vedelike seas, saavutades võimalikult efektiivse soojuse ülekandumise ning ka madala massi tõhusaks transpordiks. Vee jahutamine võib toimuda läbi ringluses oleva süsteemi või kasutades ühekordselt läbitavat süsteemi. Vee aurustumissoojus laseb toimida efektiivselt vee aurustumisel põhinevat jahutust üleliigse soojuse elektrijaamades ja jahutuseks tehtud järvedes.[1] Kinnises ringlevas süsteemis kasutatakse soojuse eemaldamiseks soojusvaheteid vähese aurukaoga. Avatud süsteemis on soojuse eemaldamine saavutatud vee aurustumise kaudu. Soojusvaheti või kondensaator (soojustehnikas) võib eraldada jahutusvedeliku põhisüsteemist, jahutatavast vedelikust,[1] või kontaktjahutatavast vedelikust, mis on otseselt kontaktis jahutatava süsteemi või elemendiga, näiteks saeterad ning muud eraldatud jaotusega elemendid. Keskkonnaalased eeskirjad rõhutavad jääkainete vähendatud kontsentratsioonile mittekontaktses jahutusvees.[2]

Vee mõjul toimunud metallkomponendi korrosioon

Puudused[muuda | muuda lähteteksti]

Vesi kiirendab metallist osade korrosiooni ning on ka soodne keskkond bioloogiliseks kasvuks. Segunenud mineraalid looduslikus veevarus on kontsentreeritud, jättes aurustudes settekoguse. Vee jahutus tihti vajab kemikaale, et minimeerida korrosiooni, insuleerida settejääke ning toimida biopuhastusena.[1]

Vesi sisaldab erinevaid osakesi, mis teevad selle mustemaks kokkupuutes atmosfääri, mulla ning mahutitega. Toodetud töödeldud metallid korrodeeruvad algmetallideks biokeemiliste reaktsioonide mõjul. Vesi kiirendab jahutatava mehaanika korrosiooni nii elektrilise konduktori kui ka metallioonide ja hapniku lahustina. Korrosiooni reaktsiooni kiirus tõuseb temperatuuri tõustes. Mehaanika kuumemas vees korrosiooni hoidmiseks lisatakse veele korrosiooni-aeglustavaid keemilisi ühendeid, nende hulgas tsinki, kroomisoolasid ja fosfaate.[3][4] Tsingil ja kroomisooladel on kalduvus olla toksilised[5] ning fofaatide lisamisel vee eutrofikatsioonile,[6] muutes vee roheliseks ning, mis soodustab mikrobioloogilist elu selles. Avatud ja ühekordselt vett läbi laskvate süsteemide (OTC – once-through cooling) põhilisteks probleemideks on bioloogiline elu vees ning korrosiooni põhjustajate eksisteerimine.[1] Eranditeks on lühiajaliselt mõeldud seadmed, vajavad suletud ringlusega mehhanismid perioodiliselt vee jahutuse eest hoolitsemist või vee vahetust, millega suureneb nendes sisalduvate kemikaalide loodusesse laskmisel tekkiv probleem.

Bioreostus tekib, sest vesi on soosiv keskkond paljudele vee-eluvormidele ning soodustab biovormide teket. Vee temperatuuri tõusmise tõttu soodustab see termofiilide teket. Biosaaste soojusvahetuskomponentide pindadel aeglustab soojusvahetuskiirust; biosaaste vähendab jahutusjaamade vee jagunemist ning aurustumiskiirust. Lisaks võib biosaaste suurendada hapniku sisaldust vedelikus, mis soodustab omakorda korrosiooni tekke kiirust.[1]

Auru-elektrijaamad[muuda | muuda lähteteksti]

Jahutusvee vee-sissetõmbe-ehitise struktuur

Vähesed jahutusmeetodid vajavad suuremat kogust vett, näiteks elektrijaamades madalrõhu-aurude kondenseerimiseks.[7] Suured ehitised, täpsemalt elektrijaamad kasutavad jahutuseks miljoneid liitreid vett päevas.[8] Sellises mõõdus vesijahutus võib mõjutada naturaalse vee keskkondasid ning tekitada uusi. Selliste suurte jaamade ehitusel tuleb arvesse võtta jõgede, jõesuudmete ning rannikuvete soojusreostus. Jahutussüsteemidest läbi käinud, tavalisest keskkonnast soojem vesi muudab veekogusse tagasi lastes vee-elustikku suurendades biokeemilisi reaktsioone ning vähendades hapniku kvaliteedi ning koguse taset vees. Temperatuuri tõusust tingitud soojem vesi muudab vee-populatsiooni, vahetades välja külmas vees pesitsevate ning suure hapnikusisaldusega harjunud populatsioonide liigid, populatsioonidega, kellele on sobivam soojem vesi.[9]

Ühekordselt-läbitavad süsteemid on kasutusel väga suurte jõesuudmete ja lehtersuudmete puhul. Sellised elektrijaamad reostavad sooja veega läbi lähedaste jõgede rannikuvette. Sellised süsteemid tuginevad heal jõe- või merevee sissevoolul. Selliste ehitiste sissevoolukohad ehitatakse spetsiaalselt suurt veekogust kiire vooluna sisse pumpama. Need ehitised pumpavad tihti ka sisse suurtes kogustes kalu ning muid elusorganisme, mis saavad sissepumpamise filtreerimise käigus haavata või hukatakse.[10] Suured vee sisse tõmbamise kogused immobiliseerivad aeglaselt liikuvaid vee-organisme, näiteks kalu ja krevette filtrite juurde, et need ei tekitaks jahutussüsteemides ummistusi. Kõrged temperatuurid või pumpade turbulents tapab või haavab väiksemaid vee-organisme, mis läbivad filtreid koos külma veega.[11] Üle 1200 elektrijaama ja suurtootja kasutavad ühekordselt läbivaid süsteeme USA-s[12] ning nende sissevoolu-ehitised hukkavad miljardeid kalu ning muid organisme iga aastaga.[13] Kiiremad vee-kiskjad toituvad haavatud organismidest, kes on filtritesse kinni jäänud ning ootavad saaki väljalaske sooja vee juures.

USA puhta vee akt määras EPA (Ameerika Ühendriikide Keskkonnakaitseamet) regulatsioonid neile sissevoolu-ehitistele.[14] Nõuded kehtestati uutele tööstus-ehitistele aastal 2001[10][15] ning olemasolevatele aastal 2014.[16]

Jahutusjaamad[muuda | muuda lähteteksti]

Ühekordselt-läbitavate süsteemide alternatiiviks on ka kasutusel ringlev järve-, ranniku- või kaevuvesi. Suurtes mehaanilistes elektrijaamade jahutusjaamades ringleb jahutuses olev vesi pidevalt läbi soojusvahetite ning muude kompopnentide, milles vesi neelab soojust. See soojus vabaneb vee aurustumise käigus suurtes jahutusjaamades, milles aurustuv vesi on ühendatud ringleva veevooluga. Aurustumise toimel vee väikse kadu atmosfääri asendatakse uue veega järvest; kuid vee aurustumise käigus kadunud maht võib mõjutada naturaalset vee-elustikku, sest värske külm vesi asendatakse veega, milles on karbonaate ning muid lahustunud soolasid. Lisaks on kaoks veel pidev sette tekkimise ennetamiseks kasutatav välja-laske vesi. Ka see vähendab sissevõetava vee kvaliteeti.[17]

Sisepõlemismootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Vesijahutusega mootor

"Veevest" mootori ümber on väga efektiivne mehaanilise müra summutamiseks, tehes seda vaiksemaks.

Sisepõlemismootori vesijahutussüsteem laeval

Lahtine meetod[muuda | muuda lähteteksti]

Lahtine veejahutus-süsteem kasutab vee aurustumisomadust, madaldades nii allesjääva mitte-aurustunud jahutava vee temperatuuri. See meetod oli levinud varajastes sisepõlemismootorites, kuni avastati, et sinna hakkas kogunema sete, mis tuli vees lahustunud sooladest ning mineraalidest. Nüüdisaegsed lahtise meetodiga vesijahutussüsteemid pidevalt "raiskavad" osa ringluses olevast veest, et väljastada tekkivat sadet, ära hoidmaks sette teket. Mõned odavamad variandid kasutavad kraanivett, kuid see vajab suuremat veekadu sette ning muude väiksemate osakeste väljastamiseks võrreldes destilleeritud või deioniseeritud veega. Ka puhastatud veega kaasneb siiski kõrvalsaaduste tekkimise vältimiseks keemilist töötlemist, et ennetada korrosiooni ning biosetet.[1]

Surve[muuda | muuda lähteteksti]

Vesijahutuse keemistemperatuur on umber 100 kraadi (°) C atmosfäärirõhul. Mootorid, mis töötavad suuremal kuumusel, vajavad vee survestatud ringlust, et ennetada ülekuumenemist.[18] Enamasti töötavad nüüdisaegsed autotööstuse jahutussüsteemid 15 psi (103 kPa) peal, et tõsta ringluses oleva vee keemistemperatuuri ning vähendada aurustumise kadusid.[19]

Antifriis[muuda | muuda lähteteksti]

Vesijahutuse kasutamise risk tekib vedeliku külmumisel. Autotööstusel ning paljude teiste mootorite jahutuse rakendamiseks tuleb kasutada vee ja antifriisi segusid, et madaldada vee jäätumistemperatuuri allapoole eeldatavast. Lisaks takistab antifriis erinevate metallide korrosiooni teket ning tõstab ka vedeliku keemistemperatuuri, mis suurendab jahutustemperatuuride vahemikku. Lisaks hoiatab selle eristatav lõhn jahutussüsteemi rikkest ning probleemidest, mida oleks keerulisem märgata, võrreldes ainult veel põhineva süsteemiga. Soojendatud jahutusvedeliku segu saab ka kasutada autos sees õhu soojendamiseks läbi auto kabiini kütteseadme.

Muud lisandid[muuda | muuda lähteteksti]

Teised vähem harilikud keemilised lisandid on selleks, et vähendada pindpinevust. Need lisandid on mõeldud autotööstuses jahutussüsteemide efektiivsemaks muutmiseks. Neid asju kasutatakse väiksemate jahutussüsteemide tõhusamaks muutmise jaoks või rallis, kus auto suurem kaal võib olla puuduseks.

Kasutus arvutis[muuda | muuda lähteteksti]

Vesijahutusel töötav personaalarvuti
Esteetilisemaks modifitseeritud personaalarvuti vesijahutussüsteem
Vesijahutuse skeem personaalarvutis

Vesijahutus arvutis lisab keerukust ning on kallim võrreldes õhkjahutusega. Vesijahutuseks arvutis on vaja pumpasid, voolikuid, või tuube, milles vesi saaks liikuda ning radiaatorit, millel on enamasti ventilaatorid, mis edastavad soojust korpusest välja. Olenevalt implementeerimisest, võib ringluses olev vedelik-jahutussüsteem tekitada uue riskikoha vedeliku toimel korrosiooni tekkimiseks või sensitiivsete elektroonikakomponentide lühistamiseks.

Peamine eelis protsessori vesijahutusel on kiirem soojuse edasikandmine teise jahutusallikasse, mis teeb antud süsteemi optimaalsemaks ning suuremaks ja ruumimahukuselt tõhusamaks radiaatoriks võrreldes väikeste relatiivselt vähem efektiivsete ribidega radiaatoriga, asudes otseselt elemendil, millelt soojust eemaldada. Kuumemade arvutikomponentide jahutamine erinevate vedelikega on kasutuses juba aastast 1982, esmalt Fluorinerti poolt. 1990-aastate jooksul pälvis tunnustuse vesijahutus ka personaalarvutite entusiastide hulgas, kuid hakkas alles 2000-date alguses märgatavalt levima peale esimest gigaherts-sagedusel töötavat protsessori kasutusele võtmist. 2018.-da aasta seisuga on juba palju tootjaid, kes müüvad vesijahutuskomponente komplektidena ning paljudesse kõrgeklassilistesse arvutitesse on vesijahutus-lahendused juba sisse ehitatud.

Vesijahutust saab kasutada mitme erineva komponendi jahutamiseks, kuid peamiselt kasutatakse sellist süsteemi graafikakaardi või protsessori jahutamiseks. Vesijahutus koosneb veeplokist, veepumbast ja vee-soojuse soojaks õhuks muundamise süsteemist. Eraldiseisvale soojuse-eraldaja mooduli saab teha suurema, kasutada suuremaid ning madalama pöördearvuga ventilaatoreid, mille tulemusena on süsteem vaiksem ning laienevad võimalused protsessori ülekiirendamiseks. Veel mõnedeks vähelevinud vesijahutusega komponentideks on põhjasild, lõunasild, kõvaketas, mälu, pinge-regulaatori moodul ning ka toiteplokk.[20]

Sisemise radiaatori suuruseid on erinevaid: alates 40 mm suurustest (kahekordsetest 80 mm) ventilaatoritest kuni 140 mm suuruste (neljakordsete 560 mm) ventilaatoriteni välja. Paksuseks 30–80 mm. Välimised radiaatorid võivad olla palju suuremad kui sisemised osad, sest need ei pea mahtuma arvuti kasti sisse. Suurema jõudlusega arvutites on tavaliselt kaks tihendiga (välja- ning sisselaske) voolikut. Radiaator võib olla paigutatud üldse teise piirkonda, niikaua, kuni voolikud selleni ulatuvad, et müra ning soojust vähendada.

T-line süsteemides kasutatakse vedeliku reservuaari asemel "Y", "X" või "T"-kujulist jagajat, mille kaudu eraldatakse õhumulle süsteemist.[21]

Vesijahutussüsteemid olid kuni 1990-date lõpuni ise tehtud. Need olid tehtud auto radiaatoritest (täpsemalt auto kütteseadme südamikust), akvaariumi pumpadest ning ise-tehtud vee-moodulist, laboratoorsetest PVC- ja silikoontorudest ning erinevad reservuaarid (enamasti läbipaistvatest plastikpudelitest, silindrilisest acrylic materjalist) ning/võiT-line-st. Viimasel ajal on rohkem hakatud tootma vesijahutus-komponente, mis on piisavalt kompaktsed, mahtudes ära arvuti korpusesse, ning protsessorite suurem jõudlus on suurendanud vesijahutuse populaarsust.

Esimene tavakasutusse tulev vesijahutus-arvuti oli Apple'i Power Mac G5, millele järgnes Dell-i XPS arvuti vesijahutusega, kasutades termoelektrilist vedelikujahutust ning Dell on ka praegu ainuke firma, kes pakub vesijahutusega Alienware desktop-arvuteid.[22]

Asus on ainuke firma, kes pani vesijahutusega sülearvutid mass-tootmisse. Need sülearvutid kasutasid vee- ja õhu- hübriid jahutus-süsteemi ning neid saab ühendada välise vesijahutussüsteemiga, et jahutus oleks veelgi efektiivsem.[23][24]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Handbook of Industrial Water Conditioning (7th ed.). Betz Laboratories. 1976.
  2. King, James J (1995). The Environmental Dictionary (3rd Edition). John Wiley & Sons.
  3. Hemmasian-Ettefagh, Ali (2010). "Corrosion Inhibition of Carbon Steel in Cooling Water". Materials Performance.
  4. Mahgoub, F.M.; Abdel-Nabey, B.A.; El-Samadisy, Y.A. (2010). "Adopting a multipurpose inhibitor to control corrosion of ferrous alloys in cooling water systems". Materials Chemistry and Physics.
  5. Kemmer, Frank N (1979). The NALCO Water Handbook. McGraw-Hill.
  6. Goldman, Charles R.; Horne, Alexander J. (1983). Limnology. McGraw-Hill.
  7. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). (1997). Profile of the Fossil Fuel Electric Power Generation Industry (Report). Washington, D.C. Document No. EPA/310-R-97-007. p. 79.
  8. EPA (2010). "Partial List of Facilities Subject to Clean Water Act 316(b)."
  9. Reid (1961), pp. 267–268.
  10. 10,0 10,1 EPA (2014). "Cooling Water Intakes."
  11. Economic and Benefits Analysis for the Final Section 316(b) Phase II Existing Facilities Rule (PDF) (Report). EPA. 2004. EPA 821-R-04-005
  12. Technical Development Document for the Final Section 316(b) Existing Facilities Rule(PDF) (Report). EPA. May 2014. EPA 821-R-14-002.
  13. Final Regulations to Establish Requirements for Cooling Water Intake Structures at Existing Facilities; Fact sheet (PDF) (Report). EPA. May 2014. EPA 821-F-14-001.
  14. United States. Clean Water Act, Section 316(b), 33 U.S.C. § 1316
  15. EPA. Cooling Water Intake Structures. Final rule: 2001-12-18, 66 FR 65255. Amended: 2003-06-19, 68 FR 36749
  16. EPA. "National Pollutant Discharge Elimination System—Final Regulations To Establish Requirements for Cooling Water Intake Structures at Existing Facilities and Amend Requirements at Phase I Facilities" Final rule. Federal Register, 79 FR 48300. 2014-08-15.
  17. Beychok, Milton R. (1967). Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants (1st ed.). John Wiley and Sons. LCCN 67019834. (See Chapter 2 for material balance relationships in a cooling tower)
  18. Sturgess, Steve (August 2009). "Column: Keep Your Cool". Heavy Duty Trucking. Retrieved April 2, 2018.
  19. Nice, Karim (2000-11-22). "How Car Cooling Systems Work". HowStuffWorks. HowStuffWorks, Inc. Retrieved 20 August 2012.
  20. "Koolance 1300/1700W Liquid-Cooled Power Supply". Koolance.com. 2008-03-22. Retrieved 2018-01-19.
  21. Gobor, Atila (10. september 2016). "ANGLED FITTINGS AND SPECIAL CONNECTORS GUIDE". Vaadatud 10.05.2021.
  22. "Alienware Desktops". Dell. Archived from the original on July 28, 2012. Retrieved 2009-11-05.
  23. hermesauto (2016-08-16). "The Asus ROG GX800 is a water-cooled gaming laptop with two graphics chips". The Straits Times. Retrieved 2021-05-07.
  24. "Asus ROG GX800VH Watercooled Laptop Review | KitGuru". Retrieved 2021-05-07.