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Loquillo · Registrado: 18 Nov 2005 Mensajes: 147

Esta es la nota de Power del mes pasado, en su versión original. muy básico y para que se entienda. Cualquier cosa chiflen Smile

BÁSES DE LA REFRIGERACIÓN APLICADA
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN LÍQUIDA

El mundo de la refrigeración dentro de una PC no se limita al uso de aire únicamente, existen aplicaciones y necesidades en la que este no suele ser suficiente. En estos casos se debe recurrir a soluciones más poderosas y dentro de estas la refrigeración líquida es una de las más utilizadas.

Cuando hablamos de refrigeración por aire, decimos que esta se basa en el poder de conducción del disipador y del de convección que resulta entre este más el ventilador. Si lográramos mejorar estos dos factores tendríamos un sistema obviamente de mayor rendimiento, lo que nos dará mejores temperaturas o menor nivel sonoro, o lo que es mejor aún, ambas cosas al mismo tiempo. Veamos como es eso posible.

LA TEORÍA
Recordemos que el calor se “desplaza” por el disipador desde su punto de contacto con el procesador hacia toda su superficie, la cual debía ser lo suficientemente grande para maximizar la convección. Por lo tanto tenemos dos limitaciones prácticas. La primera el coeficiente de conducción del disipador, el cual es constante para cada material y no hay nada que podamos hacer para mejorarlo. La segunda es un punto de equilibrio entre la superficie del disipador y lo cerrado que puede resultar la trama a medida que le agregamos más superficie de intercambio. Cuanto más difícil sea el pasaje del aire, más poderosos y ruidosos serán los ventiladores que tendremos que usar.
Ahora bien, si en lugar de depender del coeficiente de conducción del disipador, utilizáramos algún medio para absorber el calor y con este mismo lo retiráramos rápidamente del lugar problemático para llevarlo a otro sector donde no tengamos tantos problemas de espacio y además podamos repartirlo de manera más uniforme en una gran superficie de intercambio, que pueda ser además atravesada más fácilmente por el aire, habremos conseguido un gran avance.

Existe una gran variedad de “kits” en el mercado sin embargo, los más exigentes, siempre se vuelcan a sistemas caseros o armados por partes, con componentes de distintos orígenes.

LA PRÁCTICA
Cuando usamos un sistema de refrigeración líquida, lo que hacemos es absorber, generalmente con agua destilada, el calor que desprende el procesador gracias a la acción de un bloque de cobre. Este no es más que un disipador como cualquier otro que ya conocemos, sólo que adaptado al fluido con el que trabaja. El agua, no se comporta igual que el aire y su capacidad de absorber calor es muy superior, por lo que un bloque de refrigeración líquida necesitará de una superficie mucho menor que la de un disipador por aire para poder cumplir adecuadamente con su trabajo.
Como es obvio, para que esto funcione adecuadamente, necesitaremos un suministro constante de agua “fresca” en el bloque. Por lo que si utilizamos siempre la misma agua dentro del circuito será obligatorio contar con un elemento refrigerante. Los radiadores hacen exactamente eso, enfrían un fluido retirándole el calor que este posee entregándolo al aire.
La ventaja de un radiador contra un disipador común es muy grande, el calor que tiene el agua es mas fácil de repartir sobre toda la superficie del mismo ya que no contamos solamente con el poder de conducción del radiador sino que el movimiento del agua colabora con esta acción. De esta manera la superficie podrá ser mucho mayor y la distancia entre “aletas” suficiente para que el aire pase entre ellas con relativa facilidad, por lo que ya no necesitaremos de ventiladores tan ruidosos para mantener la temperatura del agua dentro de parámetros aceptables.
El sistema no estaría completo sin una bomba que haga circular el líquido, si el agua que le enviamos al bloque no es rápidamente retirada de allí, esta aumentará su temperatura junto con el bloque hasta un punto en el que no podrán enfriar más el procesador y el resultado de esto es evidente.
Existe una estrecha relación entre todos los componentes del sistema. Así como hay distintos tipos de disipadores, también hay distintos tipos de bloques, radiadores y bombas y una correcta selección de los mismos pueden ser la diferencia entre el éxito o el fracaso.

FLUJOS LAMINARES Y TURBULENTOS
Los fluidos se comportan de diferentes maneras según la forma en que se desplazan. Existen dos tipos de flujos o regímenes perfectamente definidos y diferenciados, el laminar y el turbulento. El primero se caracteriza por un movimiento ordenado de las moléculas, como si de una autopista se tratara, tendremos distintos “carriles” por los que se desplazará el fluido a distintas velocidades sin pasarse de un “carril” al contiguo.
De esta manera por ejemplo, en el interior de un tubo con régimen laminar, el fluido que se encuentre mas cerca de las paredes del tubo, tendrá una velocidad menor que el que pase por el centro del mismo. Puntualmente, aquel que se encuentre en contacto directo con la superficie, en determinadas condiciones, puede tener incluso velocidad nula. Esto se debe al rozamiento que existe en el seno mismo del fluido entre las moléculas del mismo y el que existe también con la superficie en contacto.
El régimen turbulento es todo lo contrario. Este se caracteriza por un movimiento desordenado, prácticamente imposible de prever, en el que las moléculas pasan de un lado a otro en forma permanente. En el ejemplo anterior del tubo, tendremos un promedio de velocidades más constante dentro del tubo.
Debido a que la diferencia entre laminar y turbulento depende fundamentalmente de la velocidad del fluido, a pesar de tener un flujo turbulento, aquellas moléculas que se encuentren más cerca de la superficie de contacto, debido al rozamiento mencionado, se encontrarán a una velocidad mucho menor, por lo que en esa zona tendremos un flujo laminar. El límite que separa la zona de flujo laminar de la de flujo turbulento es conocido como “capa límite”.

Además de todas sus ventajas en cuanto a refrigeración estos sistemas le dan un aspecto “especial” a los equipos. Sin dudas otro punto a favor.

EL BLOQUE
Entre el procesador que genera calor y el líquido debe existir un intermediario. Ese intermediario es el bloque. Estos pueden ser de diversos tipos, basados en distintos conceptos de funcionamiento.
Ya sabemos que en el intercambio por convección entre el bloque y el líquido intervienen la diferencia de temperatura entre ambos, la superficie de intercambio, el tipo de fluido y el régimen en el que se encuentra el flujo de líquido.
Debido a que la conducción en los fluidos es por lo general muy baja, un comportamiento laminar será capaz de retirar menos calor del bloque, ya que, las moléculas que entran en contacto con la superficie toman calor de esta pero al permanecer en “su carril” esta capa de fluido va aumentando progresivamente su temperatura, mientras que las capas más alejadas de la superficie permanecen prácticamente sin cambios. En tanto que si fuera turbulento, el agitamiento propio hará que moléculas de líquido más frescas se pongan en contacto con la superficie. Siendo de esta manera el “delta T” mayor y por lo tanto más efectiva la transmisión de calor.
Una de las mayores diferencias que encontramos entre los distintos tipos de bloques es el aprovechamiento de estos dos flujos distintos. Intuitivamente, podemos decir que un bloque poco restrictivo, habrá en su interior, velocidades relativamente bajas de líquido, por lo que tendremos en general un régimen laminar. Estos bloques se apoyan en un gran caudal de líquido para poder evacuar el calor en forma adecuada. Del otro lado, un bloque muy restrictivo tendrá bajos caudales y velocidades mucho mayores las que nos darán un régimen turbulento.
Entre estos dos extremos e incluso en ellos mismos, nos encontramos con una enorme variedad de soluciones, que van desde una simple recámara abierta por la que pasa el líquido, que presenta una restricción prácticamente despreciable, hasta sistemas con inyectores que le dan una enorme velocidad al fluido que se “dispara” sobre la superficie del bloque, lo que no solo genera una gran turbulencia, sino que además reduce la zona laminar acercando la capa límite a la superficie del bloque, dando como resultado una mayor transferencia.
Por supuesto que la bomba no podrá ser la misma, en cada caso tendremos necesidades distintas, pero ya hablaremos sobre eso.

Una de las ventajas de estos sistemas es la relativa facilidad para construir los bloques uno mismo, pudiéndoles dar las más variadas formas.

RADIADOR
Es el otro intercambiador dentro de cualquier sistema de RL. Mientras el bloque es un intercambiador entre el micro y el líquido, el radiador es un intercambiador entre el líquido y el aire. Este, si por un momento nos olvidáramos de la conducción que existe entre los tubos y las aletas, funciona totalmente por convección. El líquido, por convección, calienta el cuerpo del radiador, mientras que el aire por el mismo principio, lo enfría. Tendremos entonces un punto de equilibrio que dependerá en gran medida de la eficiencia del radiador, la temperatura y el caudal de ambos fluidos.
Al igual que antes, la resistencia que opone el radiador al paso del agua determina qué tan restrictivo es este. En términos generales se busca que un radiador sea poco restrictivo, ya que la suma de las restricciones individuales de cada elemento del circuito, bloques, radiadores, mangueras, accesorios o cualquier elemento por el que deba pasar el agua, nos da la restricción total del sistema y eso es lo que determina la bomba a emplear. Pero todo tiene un límite y no podemos aumentar la restricción indefinidamente ya que no tendremos bombas capaces de mover el fluido, al menos en forma eficiente, silenciosa y económica.
Del lado del aire, nos encontramos con lo mismo, un fácil pasaje del aire nos asegura un gran caudal con bajos niveles sonoros. Las mayores fuentes de ruidos son principalmente las grandes velocidades de los ventiladores y el que produce el aire al pasar entre las aletas del radiador

Puede parecer un radiador de calefacción de automóvil, de hecho son muy utilizados para este fin, pero en un verdadero radiador para refrigeración líquida se debe prestar atención a muchos más factores que el anterior .

RESTRICCIÓN Y PÉRDIDA DE CARGA
Cuanto más restrictivo sea un elemento al paso del líquido, mas trabajo de la bomba se perderá allí, eso es lo que se conoce como pérdida de carga. Todos los lugares por donde pasa el agua tienen una perdida de carga, por más pequeña que sea esta influye en el caudal que la bomba puede hacer circular por el circuito. Si bien algunas restricciones son beneficiosas, como la que el bloque produce para ganar turbulencia, otras son totalmente perjudiciales, como la que hay en las mangueras o accesorios. Es por eso que todos esos elementos se deben reducir al mínimo posible. Las mangueras deben ser lo más cortas que el sistema permita y las curvas que estas hacen lo más abiertas posible. Sólo por mencionar un punto.

BOMBA
Podríamos decir que se el corazón del sistema. De ella depende que el líquido se mueva de manera suficiente, tomando calor del bloque y cediéndolo en el radiador.
Ya sabemos que los distintos elementos oponen cierta resistencia al pasaje del agua, ahora ¿cómo evaluar esa resistencia y la capacidad de la bomba para vencerla? Toda bomba se define por un par de datos que suelen ser suficientes para saber su capacidad, uno es el caudal de líquido que puede entregar, generalmente expresado en litros por minuto o por hora, y la presión máxima que puede producir, por lo general expresado en metros de columna de agua. Por ejemplo para una bomba típica de uso en sistemas de refrigeración líquida tendremos 1500 litros por hora y 1,8 metros de columna de agua. Esto no significa que la bomba nos dará ese caudal con esa presión, sino en realidad los dos extremos de un curva en la que, tendremos por un lado, la presión máxima que puede entregar con caudal nulo, y en el otro extremo el caudal máximo, con presión nula. Si aumentamos la restricción que debe vencer la bomba, el caudal disminuirá de acuerdo a la curva de la bomba. En nuestro ejemplo si le opusiéramos una resistencia de 1.8m el caudal llegará a anularse.
Tendremos entonces, una zona útil de utilización de las bombas, la cual se encuentra en cualquier punto ubicado sobre la curva mencionada. En la práctica el funcionamiento real lo tendremos por debajo de la curva, ya que los valores teóricos, rara vez se cumplen. Es imposible por ejemplo obtener con la misma bomba más de 1.8m de presión o un caudal de 1500 litros con una restricción de 1m de columna.

Aquellos que fabrican sus propios sistemas están acostumbrados a utilizar bombas para acuarios, afortunadamente en los últimos tiempos ya se pueden conseguir bombas diseñadas y fabricadas para “PC” como esta que cuenta con conexión USB y es capaz de realizar muchas más funciones que solo bombear líquido.

CORROSIÓN GALVÁNICA
Es importante no mezclar componentes de diferentes materiales como bloques de cobre y radiadores de aluminio. Esto genera con el líquido circulando entre ellos, corrientes galvánicas, igual que en una batería, sólo que a mucho menor escala. La consecuencia de esto es corrosión a corto plazo y la consiguiente inutilización del equipo. Debemos tener entonces precaución en la selección de todos los elementos y asegurarnos de que el agua entre en contacto con un solo tipo de metal.

Puede haber muchas variantes sobre la misma base, una de ellas puede se usar radiadores de tipo pasivo aprovechando la convección natural, con lo que el nivel sonoro es aún menor, sin embargo en estos casos el rendimiento térmico suele ser algo menor.

CONCLUSIONES
Para alguien sin experiencia puede parecer complicado y peligroso usar agua para refrigerar la PC, sin embargo no es así y las ventajas que se obtienen son realmente notorias. Poder aumentar el nivel de Overclock de un equipo mientras que la temperatura disminuye con respecto a la refrigeración por aire, sumado al silencio que se obtiene, son el motivo por el cual estos sistemas ganan cada vez más adeptos entre los usuarios.
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