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Loquillo · Registrado: 18 Nov 2005 Mensajes: 2900

Seguimos con la pegatina a mes vencido. Wink

EL ENFRIAMIENTO LLEVADO A SUS EXTREMOS
SISTEMAS DE CAMBIO DE FASE

En las dos notas anteriores POWER USR # 25 y 26 hablamos sobre refrigeración con aire y por agua respectivamente. Estos dos métodos son suficientes para la mayoría de los usuarios, sin embargo están aquellos para los que el overclock extremo es todo y utilizan métodos que a una persona no entrada en el tema pueden resultarle sorprendentes. Los sistemas de cambio de fase son reyes indiscutidos en este ambiente y bien merecido tienen su título.

HABLEMOS SOBRE FLUIDOS
Como fluidos diferenciamos claramente a los líquidos y gases de los materiales sólidos. Si bien los tres pueden ser estados de una misma materia, como el hielo, el agua y el vapor de agua, en particular estudiaremos solo los dos últimos.
Existen tres variables con las que podemos indicar el estado de un fluido, esos son la presión, el volumen y la temperatura. A partir de esas tres variables podemos conocer las condiciones en que se encuentra un fluido determinado. La ley que define esto es la ecuación de estado de los gases perfectos y dice que el producto de la presión por el volumen dividido por la temperatura es igual a una constante llamada de proporcionalidad.
Es sabido que los líquidos son incompresibles, lo que en la práctica significa que un líquido a una determinada temperatura tiene un único volumen imposible de cambiar.
Con los gases pasa algo distinto, al ser compresibles podemos variar su volumen aún manteniendo la presión o la temperatura constantes, pero como contrapartida la otra de los dos variables se debe modificar de manera que la relación presión-volumen-temperatura sea siempre una constante.
Recordemos lo que pasa cuando inflamos la rueda de una bicicleta. Si tocamos extremo del inflador, donde el aire es reducido en su volumen y la presión aumenta, notaremos que se encuentra caliente. Ese es precisamente el efecto de la compresión: para mantener su equilibrio, el gas se calienta. Si tuviéramos el caso contrario en el que un gas se expande, ocurriría exactamente lo opuesto: su temperatura disminuiría para compensar el efecto.

EL CAMBIO DE FASE
Cuando un elemento pasa de un estado a otro (sólido-liquido o liquido-gaseoso, en cualquiera de las dos direcciones) nos encontramos ante un cambio de estado o cambio de fase. Esto tiene una gran particularidad en cuanto a la energía se refiere.
Si calentamos una cantidad de agua, esta aumentará su temperatura de manera más o menos uniforme hasta llegar a la temperatura de evaporación, que a presión normal es de 100°C, a partir de ese punto por más calor que le entreguemos al agua, esta mantendrá constante su temperatura hasta que se evapore por completo. Lo que sucede es que toda esa cantidad de calor que se entrega desde que el líquido alcanza los 100°C hasta que se evapora por completo es utilizada para cambiar de estado. Este es lo que se denomina “calor latente” y es precisamente la cantidad de energía que intercambia un elemento al cambiar de estado o fase.
Esa energía o Calor latente es una propiedad de cada fluido en particular y es algo que podemos aprovechar convenientemente.
Ahora bien, existe un punto llamado “de saturación” que se define por la presión y temperatura en la que el líquido y el vapor de un determinado elemento coexisten en equilibrio. Podríamos hablar tanto de vapor saturado como de líquido saturado. Cuando ambos están mezclados. se lo denomina vapor húmedo y ya no alcanza con la presión y la temperatura para definirlo sino que será necesario además algo que se denomina “título del vapor”, que relaciona la masa de vapor con la masa de mezcla.
En el ejemplo anterior del agua hirviendo es de 1 atmósfera de presión y 100°C, pero si uno de ellos varía el otro también lo hace. Si la presión es aumentada, la temperatura deberá ser también superior para que el agua hierva. Por el contrario si la presión disminuye, el agua hervirá a mas baja temperatura.
Parece que nos vamos acercando a lo que queremos encontrar. Podemos cambiar el estado de un fluido modificando adecuadamente la presión y temperatura a la que se encuentra. En ese pasaje tendremos un flujo de calor desde o hacia el fluido, ya sea si este se esta comprimiendo o expandiendo respectivamente, suena perfecto, veamos como utilizarlo.

Un equipo de cambio de fase listo para ser instalado. En su interior se encuentran todos los componentes del circuito, solo hace falta conectarlo.

EL SISTEMA
Lo primero que salta a la mente es usar un líquido al que disminuyéndole la presión, se evapore y en ese proceso absorba tanto calor que la temperatura disminuya. Si este proceso lo hacemos en un medio adecuado como para transmitir todo ese calor y ese elemento está en contacto con lo que queremos enfriar, tendremos la forma de llevar algo a una temperatura inferior a la del ambiente.
Claro está, esto por si solo sería un ciclo bastante costoso e impráctico desde muchos sentidos para funcionar constantemente. Lo que necesitamos entonces es un “ciclo cerrado” en el que el fluido en una etapa del mismo se evapore, absorbiendo calor y en otra se condense desprendiendo calor. Para ser así recuperado y poder ser usado nuevamente.
El resultado de esto es bastante simple en el concepto.
Si utilizamos algún elemento, mediante el cual logramos aumentar suficientemente la presión del vapor mientras que retiramos todo el calor que se produce al comprimirlo, habremos logrado transformarlo en un líquido. A continuación, el líquido será llevado a un lugar en el que el volumen del sistema aumenta bruscamente, por lo tanto, la presión se reduce proporcionalmente, como consecuencia de esto, el líquido se evapora absorbiendo calor del medio en el que se encuentra. El proceso no es ninguna novedad, es lo que hay en cualquier heladera o equipo de aire acondicionado, solo que aplicado para enfriar un procesador parece ser algo exagerado. Pero es casi la única forma práctica de obtener overclock extremo en forma continua y mantenida manteniendo al procesador dentro de un rango de trabajo en el que no se produzcan daños debidos a los altos voltajes y frecuencias a los que es sometido.

El mismo equipo de antes ya instalado y un gabinete que sigue las mismas líneas estéticas.

CONDENSACIÓN
No es secreto que cualquier cuerpo a menor temperatura que al ambiente en contacto directo con el aire produce la condensación del vapor de agua que esta contiene. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el aire y el cuerpo y mayor sea el porcentaje de humedad del aire más notorio será ese efecto. Tampoco es un secreto que el agua y los componentes electrónicos no se llevan bien.
De eso a entender la necesidad de evitar que se produzca condensación hay solo un paso. La manera de lograrlo es aislar los componentes que se encuentren por debajo de la temperatura ambiente del contacto con el aire, para ello se emplean elementos aislantes para recubrirlos evitando dejar expuesto cualquier sector por más pequeño que sea.
Con el mismo objeto se emplean grasas especiales en el socket del procesador. Estas grasas tienen como objetivo desplazar el aire que se encuentra en su interior, ya que de no hacerlo la constante condensación del mismo sobre los pines del micro terminarían por destruirlo

Aquí vemos claramente lo que sucede al funcionar el equipo sin un adecuado aislamiento , la humedad ambiente se condensa de inmediato sobre el evaporador.

COMPONENTES
De más está decir que el sistema debe ser completamente hermético, una fuga, por más pequeña que sea, hará que el gas escape a la atmósfera siendo reemplazado por aire y el equipo dejará de cumplir su función, simplemente porque el aire no podrá trabajar de la misma manera que un fluido refrigerante.
Teniendo esto en cuenta debemos imaginar cada componente como parte de un conjunto y no puede ser desarmado fácilmente y sin pasar luego por los procesos de vacío y carga que corresponden para sacar el aire e introducir el refrigerante en el sistema.
Como primer elemento podemos tomar al compresor, Este deberá recibir gas y sólo gas, debido a que no está construido para soportar el trabajo con líquidos, en cuyo caso su vida útil sería realmente muy corta. Del compresor dependerá en primer término la potencia que desarrollará el equipo.
Del compresor saldrá entonces vapor con una temperatura superior a la que sería de vapor saturado a esa presión, lo que se denomina “vapor sobrecalentado”. De allí llegará al condensador, este que puede parecer un radiador común y corriente, tiene la particularidad que está constituido por un único tubo continuo que serpentea en su interior a lo largo del cual se desplaza el fluido, que ingresará siendo gas pero saldrá siendo líquido gracias a la disminución de temperatura que se produce en todo ese recorrido. Por otro lado la entrada y la salida del condensador tendrán secciones muy diferentes precisamente para acompañar la reducción de volumen entre el estado gaseoso y el líquido, mientras la entrada del condensador es un tubo, la salida será apenas un capilar (tubo de muy pequeño diámetro). Este capilar deberá tener dimensiones muy ajustadas para que el equipo trabaje adecuadamente, no solo su diámetro es importante sino también su longitud. En rigor existen variantes en este punto, como válvulas por ejemplo, pero el capilar es casi exclusivamente el único método utilizado en estas aplicaciones en particular.
El capilar llegará al evaporador, y repentinamente se encontrará el gas con una sección de paso mucho mayor, al expandirse la presión bajará bruscamente y para acompañar el proceso el líquido se evapora. Cuanto más completa sea esa evaporación, mas eficiente será el proceso. El fluido absorberá calor, en este caso del procesador que está en contacto con el evaporador, y seguirá su camino hacia el compresor para comenzar nuevamente el ciclo.
Si bien se busca que la evaporación sea lo más completa posible en el evaporador mismo esto no es fácil de lograr, de hecho sigue evaporándose aún después de haber abandonado dicho componente, aún así se deben tomar precauciones especiales, ya sea con trampas de líquidos o con cualquier otro medio para evitar que llegue líquido sin evaporar al compresor, ya que eso tendría las consecuencias antes mencionadas sobre el compresor.

Algunos modelos más recientes, incorporan todo en un mismo gabinete, por lo que todo se simplifica aún más. La apariencia es inmejorable.

FLUIDOS REFRIGERANTES
Históricamente uno de los más utilizados era el R12, pero como ataca la capa de ozono, se tiende paulatinamente a su reemplazo, o al menos así debería ser, por otros de tipo “ecológico”. También son usados en determinadas aplicaciones hidrocarburos o amoníaco, pero estos últimos son peligrosos por lo que en general se evitan salvo en aplicaciones muy particulares que lo justifiquen.
Cada fluido en particular tendrá un comportamiento distinto (recordar calor latente y punto de saturación) y las temperaturas que se logran dependen en gran parte del mismo, no solo del sistema empleado.
Existen diversos factores que afectan el buen rendimiento de los refrigerantes, sin dudas uno de los más difíciles de erradicar es el agua, esta reacciona con el fluido dando como resultado compuestos corrosivos que dañan el equipo. Además, a las temperaturas que se alcanzan, el agua se puede congelar fácilmente, creando obstrucciones en el circuito.
El aire es otro elemento perjudicial, no solo por la humedad que la misma contiene, sino además porque ocupa el lugar del refrigerante haciendo que el sistema trabaje inútilmente (a temperatura ambiente y con las compresiones que puede alcanzar un equipo de estos, el aire jamás se condensará), generando efectos nocivos en el sistema y perjudicando el rendimiento mismo.
Otro elemento extraño dentro del sistema es el aceite del compresor que inevitablemente se desplazará dentro del circuito, por mas buena que sea la calidad y estado de conservación del compresor. El aceite particularmente tiende a depositarse en lugares que crea problemas, es por eso que el circuito se debe proyectar de manera que el aceite tienda a retornar hacia el compresor. Además entorpece el intercambio térmico al depositarse sobre las superficies del evaporador y condensador.

Estas son las temperaturas de trabajo según el fabricante. Podemos ver las temperaturas de trabajo bajo cero aún con una gran carga de trabajo.

CONCLUSIONES
Los sistemas de enfriamiento por cambio de fase nos permiten darle al procesador temperaturas muy inferiores a la temperatura ambiente, gracias a lo cual este límite al overclock puede ser superado y alcanzaremos entonces velocidades superiores a las que se obtiene con cualquier otro sistema de refrigeración de manera continua y absolutamente confiable.
Como siempre, hemos obviado y simplificado mucho algunos puntos, (en esta nota mucho más que en las dos anteriores) ya que una completa comprensión y aplicación de estos principios es tema de estudios mucho más profundos, que seguramente iremos aclarando de a poco en el futuro.
Para terminar, no podemos dejar de mencionar los llamados sistemas “en cascada”, que son equipos que constan de varias etapas de refrigeración, o dicho de una manera muy simple, equipos de cambio de fase que enfrían a otros equipos de cambio de fase, gracias a lo cual es posible alcanzar temperaturas bajísimas en el procesador con lo que el overclock alcanza límites increíbles, sin duda alguna el sueño de todo overclocker de alma.

Como era de esperarse, los entusiastas no demoraron mucho en construir sus propios equipos, en este caso podemos ver un sistema de phase change para enfriar el procesador y un water cooler para la VGA.

Aquí podemos ver como debe quedar el evaporador montado sobre el procesador . Nótese el espesor de la capa de material aislante.
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