Негорючие материалы, по своей природе, не способны к самовоспламенению или горению в условиях обычной атмосферы, но это не означает, что они абсолютно безопасны в контексте пожароопасности. Под определенными условиями, например, при взаимодействии с окислителями или с другими веществами, а также в некоторых ситуациях с водой, такие материалы могут проявлять огнеопасные свойства.
Сравнение жидкостей Novec и Coolant — почему мы остановились на собственной разработке
В последние годы на рынке появились многочисленные составы, предлагаемые для использования в качестве охлаждающих жидкостей в иммерсионном охлаждении. Наиболее распространёнными из них являются минеральные масла, ПОЛ (полимерные жидкости), силиконовые масла, такие как силоксаны (PMS, PDMS, PES) и фторкетоны. Важно понять, почему мы собрали команду для проведения масштабных экспериментов на нашем заводе и выбрали оптимальный и в экономическом плане выгодный состав.
Изначально для обеспечения охлаждения трансформаторов применялось минеральное масло. Однако в 1950-х годах компания 3М впервые разработала охлаждающую жидкость на основе фтора, предназначенную для применения в военной авионике, которая получила название Fluorinert. Спустя несколько лет, в 1996 году, была представлена новая жидкость под именем Novec, которая не содержит озоноразрушающих компонентов, что сделало её более экологически безопасной.
Жидкость первого поколения, Fluorinert, представляет собой перфторуглерод, обладающий следующими характеристиками:
- бесцветность и отсутствие запаха;
- превосходные диэлектрические свойства, что позволяет использовать его в электрических системах;
- совместимость с множеством материалов;
- высокие температуры кипения, что делает его идеальным для работы при высоких тепловых нагрузках.
Тем не менее, основным недостатком Fluorinert является длительное пребывание водяного пара в атмосфере, что косвенно способствует глобальному потеплению. Поэтому производители, использующие эту жидкость, стремились обеспечить герметичные условия и минимизировать выбросы в окружающую среду. Особое внимание уделялось предотвращению контакта жидкости с кожей и глазами. Длительное применение в суперкомпьютерах серий Cray-2 привело к разложению жидкости и образованию высокотоксичных соединений, таких как перфторизобутан. В центрах обработки данных постоянное использование Fluorinert также вызвало проблемы с такими элементами, как источники питания и кабели.
Жидкости Novec обрели популярность на Западе по ряду причин. Во-первых, этот бренд известен и зарекомендовал себя как безопасное средство для тушения пожаров, связанных с электроникой. Во-вторых, компания 3М представляет Novec как усовершенствованное решение для шахтных условий. В-третьих, горнодобывающие компании в США и Западной Европе проявляют готовность инвестировать в свою индустрию на долгосрочной основе, что включает значительные вложения в системы охлаждения. В отличие от этого, в странах СНГ концепция иммерсионного охлаждения часто воспринимается как нечто экспериментальное или индивидуально создаваемое. Жидкости, используемые в этих системах, рассматриваются как более доступные и не слишком отличимые от Novec по безопасности, что, на самом деле, не соответствует действительности.
С помощью технологий, связанных с Novec, стало возможным реализация двухфазных систем иммерсионного охлаждения (2 PIC) с использованием полуоткрытых резервуаров.
Система двухфазного охлаждения на базе Novec
В рамках двухфазной системы охлаждения используется специальный контейнер, в который помещаются панели или другое оборудование. В качестве диэлектрической жидкости используется, например, Novec 7100, обладающий температурой кипения 61 градус Цельсия. В процессе работы устройства выделяется тепло, что приводит к нагреву жидкости, её закипанию и испарению. Novec эффективно отводит тепло от более горячих компонентов и передаёт это тепло конденсаторам, в которых циркулирует охлаждающая вода. Эта конденсация является промежуточным теплоносителем, помогающим охлаждать выделяемое тепло, которое затем выводится в окружающую среду.
Энергия, необходимая для испарения 1 грамма Novec, составляет приблизительно 120 джоулей. Например, графический процессор с мощностью 200 Вт способен испарить около 2 граммов жидкости за 1 секунду, что накапливается до 120 граммов за 1 минуту. Это подчёркивает высокую эффективность теплоотведения, позволяя исключить необходимость использования теплоотводящих пластин. Для двухфазного охлаждения обычно применяются жидкости Novec серий 7000, 7100 и 7200.
Процесс испарения представляет собой переход Novec из жидкого состояния в газообразное, что и обуславливает название двухфазной системы. В случае, если резервуар открыт, жидкость будет испаряться, и её необходимо будет периодически пополнять. В закрытых системах пар в процессе работы поднимается к крышке, где устанавливается конденсатор, состоящий из различных труб или змеевиков, через которые циркулирует более холодный хладагент, например, холодная вода. Это создает теплообменник, позволяющий конденсироваться газу, превращаясь в капли жидкости, которые затем сливаются обратно в резервуар. Это замкнутый контур не требует насосов и постоянного пополнения жидкости.
Тем не менее, как и в любых других системах, жидкость также нагревается в конденсаторе. При этом мощность нагрева прямо относится к потребляемой мощности видеокарт, что требует постоянного охлаждения жидкости. Для этого активируется второй замкнутый контур, где вода проходит через систему труб и попадает в воздушный теплообменник с вентилятором, который находится на улице. Внешний воздух рассеивает тепло, обеспечивая повторное охлаждение. После этого вода снова доступна для применения в системе охлаждения.
В двухфазной системе охлаждения важно использовать диэлектрическую жидкость с низкой температурой кипения. Эта характеристика критически важна для того, чтобы температура кипения жидкости не превышала рабочие температуры компонентов системы, что обеспечивает более интенсивный теплообмен. В частности, видеокарты часто оборудуются медными ребрами для улучшения теплоотведения. Использование теплопроводящих прокладок может быть нежелательным, и рекомендуется использование термопасты минимального объема. Непосредственно перед погружением видеокарты должны быть дополнительно охлаждены в двухэтапном процессе, так как медь обладает одной из самых высоких теплопроводностей среди доступных материалов.
Преимущества двухфазной системы охлаждения на базе Novec:
- Безопасна для электроники и представляет собой невоспламеняющуюся жидкость, что делает её отличным средством для тушения огня,
Важно отметить, что в Российской Федерации только несколько организаций имеют официальные полномочия на проведение огневых испытаний, среди которых МЧС России, Экспериментальный научно-исследовательский институт, АНО «Пожаудит», НИИ им. Кучеренко и ряд других.
Основные представления
Горение — это химический процесс окисления, сопровождающийся выделением тепла. Вещества, которые не способны к горению при нагревании и не образуют горючие продукты, могут существовать в различных агрегатных состояниях и быть классифицированы как негорючие. Отмечены различные молекулярные структуры, которые демонстрируют эту характеристику:
- газы,
- жидкости,
- кристаллические или порошкообразные вещества.
Тугоплавкость материалов проверяется экспериментальным путем, при этом образец вещества подвергается нагреву, а изменения в температуре и потере массы фиксируются. Наблюдаемые результаты, в частности время горения, учитываются при этих испытаниях. Для материала, считающегося огнестойким, продолжительность потери массы при нагреве до 50 ℃ не должна превышать 50%, а время существования устойчивого пламени — 10 секунд.
Твердые вещества
К огнеупорным материалам относятся многие неорганические соединения, среди которых особенно выделяются природные минеральные соли. Например, некоторые из лучших огнезащитных материалов включают:
- асбестовое стекло;
- асбестовая пена;
- кирпич;
- бетон.
Перечисленные вещества обладают высоким уровнем огнестойкости. Металлы, применяемые в строительстве, также, как правило, не склонны к воспламенению и тем более горению.
Некоторые природные руды могут сохранять свою целостность при повышении температуры до определенной степени, но при достижении температуры разложения начинают выделять окисляемые или легковоспламеняющиеся продукты, что делает их неподходящими для классификации как огнезащитные средства.
Кроме того, некоторые неорганические вещества, которые проявляют инертность в условиях воздуха, могут вызывать воспламенение в присутствии влиятельных окислителей, таких как озон, жидкий кислород и фтор, известные своим мощным окислительным потенциалом.
Вещественные окислители и материалы, которые могут сформировать легковоспламеняющиеся соединения в результате реакции с другими веществами или с водой, также представляют опасность с точки зрения пожара. Некоторые термически нестабильные соединения могут быть особенно опасны.
Среди окислителей наибольшую опасность представляют перманганат калия (также известный как перекись марганца), газообразный хлор, концентрированная азотная кислота, жидкий кислород и пероксиды.
Карбид кальция, известь и высокореактивные металлы, такие как литий и натрий, могут воспламеняться при попадании в контакт с водой, что также является критически важным фактором для безопасности.
Металлы средней активности, такие как алюминий и железо, хоть и не выглядят как легко воспламеняющиеся, могут загореться, если вступят в реакцию с кислотами. При этом некоторые из них могут выделять горючие газообразные вещества при длительном контакте с кислородом и под воздействием высокой температуры.
Карбонат аммония является горючим веществом ивходит в список пожароопасных продуктов из-за своей термической неустойчивости и способности к образованию летучих окислительных продуктов. Нитрид бария и аналогичные вещества относятся к категории взрывоопасных в условиях удара или термического воздействия.
Горючие и негорючие газы
В условиях аварийных ситуаций в замкнутом помещении может возникнуть высокая концентрация горючих газов, что в свою очередь значительно увеличивает риск возникновения пожара и/или взрыва. Важно применить соответствующие меры для предотвращения подобной ситуации.
Наиболее приемлемым способом решения данной проблемы является практика закачки инертных газов. К числе наиболее распространенных и доступных горючих газов относятся углекислый газ, азот и водяной пар.
Углекислый газ обладает огнетушащей способностью, равной 20-30% по объему для подавляющего большинства веществ. Однако его применение должно осуществляться с осторожностью, так как при концентрации 10% в дыхательном воздухе он может вызвать летальный исход.
Что касается азота, его огнетушащая концентрация достигает 35%. Этот газ хорошо подходит для тушения открытого пламени, однако его эффективность значительно снижается при наличии углей. Человек способен дышать воздухом, в котором содержание кислорода снижено до 15-16%, где оставшаяся часть — это азот, без каких-либо заметных негативных последствий.
Также водяной пар с концентрацией 35% является эффективным средством для тушения пожаров в помещениях и других ограниченных пространств. Аргон также является инертным газом, не способным к воспламенению. В общем, все инертные газы имеют крайне низкую реакционную способность с кислородом, что делает их безопасными для использования в условиях потенциальной пожарной опасности.
