Water-Cooling: un poco de teoria

¿Que es el Water-Cooling?

La Refrigeración líquida o watercooling es una técnica de enfriamiento utilizando agua en vez de disipadores de calor y ventiladores (dentro del chasis), logrando así excelentes resultados en cuanto a temperaturas, y con enormes posibilidades en overclocking. Se suele realizar con circuitos de agua estancos.

¿Cual es la ventaja del agua sobre el aire?

Las ventajas de la refrigeración por agua en vez de por aire incluyen el mayor calor específico, densidad y conductividad térmica (0,6 W.m-1.K-1 del agua vs. 0,024 W.m-1.K-1 del aire) de forma que el agua puede transmitir el calor a gran distancia con mucho menos flujo volumétrico y diferencia de temperatura. Esto lleva a la mayor ventaja de la refrigeración por agua sobre los disipadores tradicionales: la capacidad mucho mayor de transportar el calor desde la fuente hasta una superficie de enfriamiento secundaria, que permite radiadores grandes, de diseño óptimo, en lugar de pequeñas aspas ineficaces montadas en o cerca del núcleo de la unidad central.

El sistema de refrigeración por agua estará conformado por los siguientes elementos

Bloque



Es el encargado de extraer el calor de su fuente y a través de la transmisión de un fluido por su interior lograr extraerlo.
Para lograr una mejor transferencia térmica es preferible contar con un fluido turbulento por lo que además de otras cuestiones se deberá lograr generar una restricción en el diseño interior del bloque.
Se deberá tener en cuenta que al usar tapas de acrílico, estas poseen una determinada resistencia a la presión que puede no ser la suficiente en algunos casos y generar fisuras con la posterior perdida de fluido y daños a componentes electrónicos. Por esto, en algunos casos es recomendable reemplazar el material en estas partes por el bronce, aunque este dificulte el mecanizado del mismo o por otras opciones como lo es el Delrin (Acetal).
Bajo ningún punto de vista debe usarse aleaciones distintas entre si que estuvieran en contacto ya que se producirían corrientes galvánicas, generando corrosión (como lo es el caso de utilizar una base de cobre con una tapa de aluminio).

Bomba:



Factor determinante en el rendimiento de nuestro sistema.
Se deberán usar bombas que soporten un uso continuo manteniendo un buen caudal y puedan entregar la presión requerida.
Se deberá tener en cuenta que existen 2 tipos: sumergibles y emergibles.
Debemos tomar en consideración el costo entre ambas y también el calor generado que seria agregado al agua.

Radiador/Torres evaporadoras:



Encargado de remover el calor anteriormente absorbido por el agua, ya que de otra forma el sistema se sobrecalentaría en cuestión de segundos.
Lo que deberemos tener en cuenta al momento de elegir un radiador es la cantidad de “pasadas” que este posea (dirección que toma el fluido dentro del radiador mientras esta siendo enfriada) y las “filas” (numero de tubos por donde el fluido es transferido en referencia a la profundidad).
Asimismo, nos encontramos con 2 tipos: Alto Ruido y Bajo Ruido.
Los radiadores de “Alto Ruido” poseen una mayor cantidad de FPI (Aletas por pulgada por sus siglas en ingles), entregando por lo tanto una extracción del calor mas efectivo pero requiriendo así mismo un ventilador que utiliza mayor cantidad de CFM (Pies cúbicos por minuto por sus siglas en ingles) trayendo consigo un mayor costo/ruido. (Ver Figura 1.1)
Los del tipo de “Bajo Ruido” tienen una menor densidad de FPI y por tanto requerirán un ventilador de pocos CFM. (Ver Figura 1.1)




Tubería:



Es posible utilizar tanto una rígida (cobre generalmente) como una flexible (plástico), pero deberemos tener en cuenta el OD (Diámetro exterior) y el ID (Diámetro interior). Si tenemos un ID mas grande tendremos una mayor velocidad del fluido puesto que este ingresa con una turbulencia laminar a través del mismo y sufre un rozamiento con las paredes de la tubería disminuyendo su velocidad en los extremos mientras que mantiene una velocidad mayor en el centro, al aumentar el ID aumentaremos la cantidad de fluido que fluye por el centro del mismo teniendo así un mayor caudal. (Ver Figura 1.2)
Dentro del tubo flexible existen 2 tipos usados principalmente: Tygon y Clearflex. El Tygon es ajeno a los químicos que agreguemos junto al fluido y es capaz de tomar las curvas de una mejor manera, generalmente se lo encuentra en el área de la medicina.
El Clearflex es el tipo más común y mucho más económico que el Tygon, es afectado por químicos y de su diámetro dependerá su capacidad de poder doblarse realizando una curva.




Fluido Refrigerante/Aditivos:



Generalmente es usada el agua destilada ya que posee las mejores propiedades de transmisión térmica manteniendo una baja conductividad eléctrica
Para evitar la formación de algas, corrosión galvánica, congelamiento, etc. se utilizan aditivos como lo es el PropilenGlicol (reduce el punto de solidificación impidiendo que se congele o pierda propiedades el fluido).

Reservorio:



Es utilizado para retener al agua que es bombeada a través del sistema en una posición que será de fácil acceso para la bomba cuando haga ingresar el fluido.
También se utiliza para ayudar en la eliminación de las burbujas de nuestro sistema.

Ventiladores:



Serán el medio utilizado para refrigerar nuestra fuente de calor (Radiador) y variaran de acuerdo a su tipo, tamaño, CFM, dB producidos, etc.

Aspectos a tener en cuenta antes de fabricar un bloque:

Lo primero a tomar en consideración en nuestros diseños es el material a emplear. La decisión queda reducida a los siguientes 3 materiales:
• Plata
• Cobre
• Aluminio

Grafiquemos la situación en una tabla para que pueda ser entendida de mejor manera:



Como vemos, aunque el aluminio es un excelente material a ser usado (precisamente por ello mismo aun hoy es utilizado en algunas soluciones comerciales de refrigeración), elegiremos al cobre como material a ser utilizado.
Este posee una alta conductividad térmica, un costo solo un poco superior al aluminio, un peso aceptable y además sigue siendo un material de fácil mecanizado.

Lo siguiente será definir el diseño interior del bloque por donde se moverá el fluido que se encargara de refrigerar nuestra fuente de calor.
Para ello deberemos tener en cuenta la siguiente formula:



Donde:
ρ = Densidad del fluido
vs = Velocidad característica del fluido
D = Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido
μ = Viscosidad del fluido

Esto nos dará el número de Reynold y así podremos determinar si un fluido es turbulento, de transición o laminar. Si el numero es menor a 2100 el fluido será laminar, si es mayor a 5000 será turbulento y sino se lo llamará de transicion.

Buscaremos un fluido turbulento ya que en este las partículas se mueven de forma caótica aumentando la transferencia térmica.
Como la densidad y viscosidad se mantienen constantes en un mismo fluido deberemos aumentar la velocidad o aumentar el diámetro.

Como tratamos de mantener nuestro sistema dentro de una forma compacta y en algunos casos requeriremos del uso de curvas pronunciadas en la tubería, no nos es posible aumentar el diámetro por donde fluye el fluido por lo que lo único que podremos aumentar de modo de incrementar la turbulencia de nuestro fluido será la velocidad.

Para aumentar la velocidad del fluido y así la turbulencia deberemos agregar restricciones en nuestro diseño, estas serán:

Reducido de la sección: Como sabemos por el Teorema de Bernoulli, al disminuir la sección aumentaremos la velocidad, esto sucede porque la perdida de presión del fluido es transformada en energía cinética aumentando la velocidad del mismo.
Podremos lograrlo por ejemplo a través de un Jet (Ver Figura 2.1), donde su longitud será de 4 veces su diámetro (Ver Figura 2.2).









Restricción del diseño: Para evitar promover el flujo laminar tendremos que crear canales por donde circulará el fluido y chocará contra sus paredes aumentando la turbulencia. Esto se verá en los planos de los prototipos presentados mas adelante.

Si aumentando la restricción del sistema aumenta la turbulencia y esta a su vez la transferencia térmica del agua, entonces agregando mas restricción se debería contemplar un mejor rendimiento, pero esto no es así.
Debemos tomar en cuenta que mientras mas restricciones (propias del diseño interno del bloque, el radiador utilizado, etc.) tendremos un menor caudal y requeriremos una mayor presión por parte de la bomba.

El caudal estará establecido por la siguiente formula:

Q = dP/CR

Donde:
Q = Caudal
dP = Diferencia de presión
CR = Restricción del sistema

De acuerdo a la formula si mantenemos la restricción de nuestro sistema constante deberemos lograr que la diferencia de presión sea la menor posible para así tener un caudal mayor, esto lo lograremos teniendo una bomba que nos entregue una alta presión inicial (medida en MCA).

Si partimos de lo siguiente:

Q = V.S

Donde:
Q = Caudal
V = Velocidad
S = Sección

La sección se mantiene constante por lo que para aumentar la velocidad del fluido deberemos aumentar el caudal de agua.

El resto son planos técnicos que después voy a colgar para que tengan una mejor idea.
Le falta demasiado todavía pero aunque sea es algo, con el tiempo lo voy a ir completando.

Bibliografia

Wikipedia
Devilmaster.org
http://engr.smu.edu/rcam/research/waterjet/
Google


Saludos!