Как работают фреонки (кондиционеры). Охлаждаем CPU кондиционером, часть 1.

Настало лето, а значит компьютеры некоторых людей начинают перегреваться.

На канале есть и теоретические видео по кулерам, есть и обзоры разных моделей и кастомные системы охлаждения на различных принципах работы.

Сейчас же я предлагаю сделать систему охлаждения основанную на готовом устройстве — напольном кондиционере.

Те кто следят за каналом не только по видео и сайту в курсе, что у меня есть не только обычный напольный кондиционер, но и вот такая вот кастомная штука.

И штука эта выдаёт температуры примерно на 60 градусов ниже этого напольного кондиционера.

Но я решил, что в видео должна быть какая-то последовательность.

Когда речь пошла про систему на пельте я для начала рассказал как это работает и постепенно усложнял систему охлаждения.

Что касается штуковин с фреонами — было бы странно, что я пропущу базовые материалы и сразу сделаю систему в которой будет два каскада охлаждения: фреон + пельтье.

Так что эта статья тоже должна была появится, ну и вдобавок — с напольным кондиционером — это вполне работоспособная идея, то есть если у вас есть проблемы с охлаждением летом — холодопроизводительность у этих штук настолько высока, что какие-то 300-400 Ватт от компьютера — на скорость охлаждения вашей комнаты сильно не повлияют.

Та фреонка что выдаёт -50 градусов по конструкции несколько сложнее, так как в ней испаритель охлаждается слишком сильно для работы компрессора и в контуре есть дополнительный теплообменник, в этом же материале лишних сложностей в описаниях не будет. 

Зачем нужны низкие температуры для процессора

И ещё я хочу напомнить, о том, что изменяя температуру процессора мы меняем физические свойства процессора, его сопротивление и скорость протекания переходных процессов, это актуально и для intel и для AMD и для байкалов с эльбрусами. То есть снижение температуры не только позволяет держать рабочий режим для одной и той же нагрузки, но и позволяет снижать напряжение работы для равной частоты, от чего падает тепловыделение, из-за чего нагрев ещё ниже, что позволяет на том же напряжении брать ещё более высокие частоты. В общем — если вы посмотрите на скрины рекордов разгона, то на жидком азоте при росте частоты на 2 ГГц ставят напряжения всего на 2-3 десятых вольта выше обычного разгона и смысл в жидком азоте не в том, что процессор не перегревается, а в том что на жидком азоте нет причин ставить высокие напряжения при которых бы процессор перегревался.

И этот эффект я уже показывал и с системой охлаждения на пельтье и его мы увидим в практических тестах и с кондиционером.

Как работает кондиционер (контуры с фреоном)

Но для начала разберёмся с тем как работает кондиционер.

Напольный кондиционер — ничем не отличается от обычных сплит систем, состоящих из двух блоков: в которых одна часть вешается снаружи здания, а другая — внутри помещения.

Отличия только по корпусу — тут обе части собраны внутри одной коробки, из которой выходит с одной стороны тёплый воздух, а с другой холодный.

Но показывать я буду на схеме то, как это работает в системах из двух модулей, это будет полезнее для общего развития.

Холода — не существует

И перед тем как начать рассказ ещё уточню очень важную вещь по поводу холода, потому что когда я скажу, что штука которая потребляет 800 Ватт может иметь холодопроизводительность 3 Киловата некоторые сразу покрутят пальцем у виска и закроют браузер.

Суть в том, что так же как не существует тени — не существует и холода.

Тень — это не некая субстанция или что-то такое. Тень — это место в котором меньше света, чем в окружающих местах. Так же и холод. Предметы, которые мы называем холодными, относительно каких-то тёплых — это просто те предметы, которые содержат в себе меньше тепловой энергии, чем окружающие предметы, но если предмет не охлаждён до абсолютного нуля, то тепловая энергия в нём всё равно есть.

Холодильное оборудование — занимается насильственным перемещением энергии.

То есть эта штука тратит 800 Ватт не на то, чтобы как-то создать несколько киловатт какой-то несуществующей холодоэнергии. 800 Ватт тратится на то чтобы принудить атомы и малекулы поделиться тепловой энергией не так как они хотят.

Естественные методы отвода тепловой энергии

При этом — для создания условий для увода откуда-то тепла не обязательно вообще специально прикладывать внешнюю энергию. Самый яркий пример — это работа такого измерительного прибора как психрометр.

Психрометр — это прибор измеряющий влажность воздуха.

Классическая конструкция состоит из двух градусников — один измеряет температуру воздуха, а второй также измеряет температуру в том же помещении, но не воздуха, а смоченного водой фитиля. И градусники показывают разные температуры, тот что смочен — всегда показывает более низкую температуру.

Причина этой разницы в испарении воды. Дело в том, что при испарении улетучиваются наиболее энергетичные малекулы жидкости. И при этом забирая часть общей тепловой энергии. Таким образом — на фитиле образуется среда с меньшим количеством тепловой энергии, чем на всех окружающих поверхностях. 

И чем суше воздух, тем проще малекулам воды оторваться от общей жидкости. То есть чем суше воздух, тем большая потенциальная яма между энергиями может образоваться. Собственно — два градусника и измеряют эту потенциальную яму, которая через специальную табличку пересчитывается в значение влажности помещения.

Ровно так же — работает терморегуляция потоотделением у человека.

Кондиционеры охлаждают окружающее пространство испарением жидкости

Из того, что я написал в заголовке очевидно, что кондиционеры работают также и каким-то образом — в эти ящики засунули этот же физический эффект — с отбиранием энергии при испарении.

Сложность только в том, что с психрометром мы получаем мизерный отвод энергии, то есть мы охлаждаем жалкие граммы воды на несколько градусов, и всё это зависит от окружающей влажности, а на самом деле ещё и от атмосферного давления. И у нас ещё и расходуется рабочее тело, то есть улетучивается с фитиля вода, которую надо постоянно подливать. И на этом потихоньку перейдём уже к кондиционерам. Наше рабочее тело, которое в психрометре вода в разрезе работы кондиционера мы далее будем называть хладагентом. Кстати, вода как хладагент тоже применяется, и в холодильных штуках она называется R718.

Но давайте разберёмся с тем, что нас не устраивает в простом испарении с фитиля?

Нам надо как-то эту систему сделать закрытой, то есть возвращать испарившуюся жидкость обратно, чтобы не надо было её подливать, ну и самое главное нам надо создать физические условия в которых мы будем получать нужные размеры потенциальной температурной ямы и при этом нам надо поставить этот процесс на поток, так чтобы охлаждались не граммы хладагента и несколько миллиграмм ртути в градуснике, а ещё и охлаждать какую-то рабочую среду, то есть воздух в холодильнике или квартире, или, если кто уже забыл, у нас цель охладить процессор.

На каких физических принципах реализована работа?

Чтобы понять что мы в силах сделать нужно вспомнить ещё несколько физические особенностей превращений из газа в жидкость и обратно.

Суть в том, что эти переходы для одной и той же жидкости зависят от давления.

Допустим в высоких горах вода кипит уже при температуре ниже 80 градусов, тогда как в автоклавах или скороварках — из-за высокого давления вода может оставаться жидкой и при температуре 150 градусов.

Интереснее наблюдать то, как газы ведут себя при смене давлений.

Допустим у вас есть бутылка шампанского комнатной температуры.

Пока она закрыта — внутри в не занятой жидкостью частью от выделившихся газов создаётся высокое давление, при раскупоривании бутылки — давление снижается, так как стремится выровниться с атмосферным, но при этом мы наблюдаем то, что тот же газ, что только что был комнатной температуры расширившись резко снизил температуру и перешёл через точку росы для окружающего пространства, превратившись в небольшое облачко переохлажденного пара.

И того, собирая все эти эффекты в кучу мы имеем то, что изменяя давление мы можем заставлять хладагент кипеть при более низких температурах, так чтобы он в это время забирал энергию из окружающего пространства, а так же мы можем заставлять это же рабочее тело быть жидким при более высоких температурах так что мы сможем это тело отводить обдувом окружающим воздухом, и в это же время на переходе между зонами высокого и низкого давления рабочее тело будет ещё и само расширяясь охлаждаться, или сжимаясь нагреваться.

И если это всё делать внутри закрытого контура — то наша простая идея с мокрым фителём уже становится кондиционером.

Простейшая схема контура кондиционера (фреонки)

Теперь давайте разберёмся с тем как это реализовано на практике.

Как вы уже поняли — у нас есть контур в котором надо сделать два разных давления, низкое — в котором хладагент в холодном состоянии будет ещё и кипеть испаряться на низких температурах.

И часть контура где давление высокое — в котором хладагент будет тёплым и это тепло будет легко отдать в атмосферу.

Достигается эта разница за счёт компрессора и подпирающего капилляра (или терморегулирующего вентиля).

Для закрепления рассказа давайте коротко пройдёмся по контуру, как он работает.

Начнём с места сразу за капилляром.

За ним — хладагент получает резкое расширение из-за падения давления — меняется температура кипения и хладагент, испаряясь начинает забирать всё тепло, до которого он может дотянуться, это тепло в кондиционере подаётся в контур за счёт обдува радиатора,

который в холодильных штуках называется испаритель, ну то есть грубо говоря — охлаждается радиатор испарителя. Испаряющийся хладагент с полученной из среды энергией высасывается из контура низкого давления — компрессором,

и компрессор его впихивает в часть контура высокого давления, в котором это давление удерживается за счёт того, что среда подпирается капилляром. В этой части контура — из-за повышения давления рабочее тело нагревается, и так же из-за высокого давления переходит на больших температурах, чем испарялось ранее в жидкую фазу, при этом хладагент в это время теплее окружающего воздуха,

а значит это тепло можно отвести обычным окружающим воздухом, используя второй радиатор, который, в холодильных штуках называется конденсатором, именно в этом месте полученное ранее тепло — отдаётся в окружающую среду.

Ну и дальше рабочее тело проталкивается через капилляр (пошёл рассказ по второму кругу), выходя из него в зону низкого давления расширяясь, охлаждаясь и вновь забирая тепло при испарении из окружающей среды и так совершая круги раз за разом.

Ну и понятное дело, что на деле — все эти процессы во всех зонах происходят постоянно. То есть через капилляр постоянно проталкивается рабочее тело, за капилляром оно постоянно — охлаждается и испаряется забирая тепло, испарения постоянно забирает компрессор и т.д.

Ну и тут, конечно, наступает сложная задача по тому чтобы найти нужный баланс давлений и температур.

Создаётся он во первых подбором рабочего тела, то есть разные хладагенты имеют разные температуры кипений на разных давлениях, во вторых баланс этот создаётся за счёт подбора количества хладагента в контуре, и за счёт рассчитанной сложности прохождения хладагентом капилляра или вентиля.

Собственно — вентилем более точно регулируется пропускаемость хладагента, можно пропускать его хуже, тогда разность давлений в разных частях контура будет больше, больше будет потенциальная яма передаваемых энергий, но хуже энергоэффективность и меньше объём переносимого тепла, так как рабочее тело будет сложнее крутить по контуру и самого рабочего тела в зоне испарения будет меньше, что чревато и перегревом зоны охлаждения.Вентили как правило имеют обратную связь, то есть управляются в зависимости от текущей нагрузки, изменяя пропускание хладагента.

Собственно — вот такие вот кондиционеры способны переносить примерно в три раза больше тепловой энергии, чем затрачивается на их работу.

Что дальше?

В следующих частях мы более подробно разберёмся с тем как снижение температуры влияет на физические характеристики процессора, как изменяется сопротивление, и допустимая частота без изменения напряжения. Это мы сделаем при помощи напольного кондиционера.

А затем уже перейдём к серёзной кастомной фреонке, которая будет охлаждать горячии стороны модулей пельтье. Модули пельтье будут охлаждать жидкостной контур, в который будет отводиться тепло от процессора. В такой системе мы сможем достичь достаточно низкие температуры для более явных физических изменений.