Tutorial Refrigeração Líquida

Conhecendo as bombas mais adequadas

Agora que sabemos as diferenças básicas entre os tipos de blocks mais comuns e a importância da restrição ao fluxo na escolha da bomba adequada, vamos ver quais os modelos de bombas se encaixam em cada caso.

Esse é um assunto difícil de ser abordado porque as bombas não foram feitas para sistemas de refrigeração líquida para PC, e sim adaptadas a partir de bombas industriais ou de modelos para aquários. Por isso a grande maioria das bombas são de 110v (ou 220v, dependendo da bomba), e não de 12v como seria mais fácil para instalar em um PC. Os modelos de 12v até existem em lojas especializadas em watercoolers, mas são geralmente muito fracos. O ideal é usar um relé 12v para acionar a entrada de 110v para a bomba assim que o PC for ligado, isso veremos mais a frente quando analisarmos os acessórios.

A principal característica de uma bomba é sua relação de potência com a dissipação térmica na água, e isso infelizmente não está escrito nas suas especificações técnicas. Temos que apelar para a experiência prática mesmo e cada caso será um caso. O ideal é que a potência da bomba seja a maior possível, desde que o calor produzido por ela e pelo  block com o processador a plena carga possam ser resfriados pelo radiador satisfatoriamente. A resultante dessa operação será medida pela diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura do fluído medida após o block em um sistema estabilizado, medindo sempre com a CPU em plena carga.

É aceito para um sistema de média performance o fluído na saída do block algo em torno de  8°c acima da temperatura ambiente. Em sistemas de alta performance, usado em overclocks extremos, o ideal é ter um delta de apenas 3°c. Isso não é fácil de atingir e custa muito dinheiro.

Como se vê no exemplo acima, a bomba mais adequada depende do radiador que você está usando, da dissipação máxima da sua CPU, e principalmente do seu bolso.

Uma bomba de alto custo e tecnologia, com tipos excêntricos de construção para minimizar o repasse de calor ao fluído é necessária para conseguir o menor delta entre a temperatura ambiente e a temperatura do fluído. Muitos tendem a compensar uma bomba “quente” com um radiador maior e mais eficiente, mas acabam enfrentando problemas para montar algo tão grande no gabinete de um PC. O ideal é definir exatamente qual a prioridade do projeto, se é a performance pura, se é algo externo ao PC ou se vai ficar dentro do gabinete, se é o silencio na operação, enfim, essas escolhas vão determinar as características de cada peça.

Porque não usar, então, uma bomba de baixa potência e baixa dissipação com um radiador pequeno e fácil de ser instalado em um PC?

É bem possível que se a dissipação da CPU for também pequena talvez o sistema até fique em equilíbrio. Mas se a dissipação da CPU em plena carga for alta podemos ter um sistema desequilibrado, que aquece de forma crescente, ou pior, ter um fluxo tão baixo que irá saturar o block, aquecendo sua massa sem haver troca térmica suficiente. Nos dois casos, você pode queimar seu processador.

O fluxo do sistema é uma das regras básicas em um watercooler: quanto maior o fluxo, maior o turbilhonamento forçado, maior a troca térmica dentro do block, e maior será a troca térmica dentro do radiador. Isso resulta em um menor delta entre a temperatura da água e a temperatura ambiente, e conseqüentemente menor será o delta entre o processador em repouso e em carga máxima, que é o objetivo final de tudo isso.

As bombas podem ser do tipo submerso, que devem ficar dentro de um reservatório de água, ou in-line, que trabalham secas com uma entrada e uma saída para a água. Vamos conhecer alguns tipos de bombas, começando pelas mais simples:

Better 2000: Uma bomba submersa nacional destinada aos aquários de água doce e baixo custo. Seu preço é em torno de 120 reais no mercado brasileiro e pode ser considerada uma bomba ordinária, de construção simples e vida útil reduzida. Seu rotor é lubrificado e resfriado pelo próprio fluído do sistema, e seu motor de 110v aquece demasiadamente por causa do seu alto consumo. Alguns usuários a modificam para trabalhar in-line, condição que reduz a transferência térmica para o fluido, mas que também reduz drasticamente sua vida útil. Apesar de todos os contras, é a melhor opção nacional e já  usamos por muito tempo em nosso laboratório, dentro de um container feito a partir de uma vasilha de tupeware. Sua especificação indica uma vazão de 2000 litros por hora no nível zero, sem diferença de altura, e uma coluna d’água máxima de 2 metros.

A indicação de coluna d’água é o ponto máximo onde podemos elevar a água usando essa bomba, ou seja, o diferencial de altura onde a vazão chega a zero e que podemos traduzir como pressão d”água. A curva que mostra a relação de altura com vazão não é linear, por isso não podemos assumir que com uma diferença de altura de 1 metro a vazão será de 1000 litros por hora. A diferença de altura é importante no calculo da instalação no PC, pois um gabinete vertical tem cerca de 50 cm entre a parte mais baixa e a parte mais alta, e isso interfere na vazão do sistema reduzindo a pressão total. Uma bomba dessas depois de montada em um gabinete com blocks e radiadores de baixa restrição, terá sua vazão total reduzida para cerca de 200 litros por hora, ou até bem menos.

Mag Drive 500  e 700:Essas já são bombas que podemos considerar como intermediárias. São importadas, para uso in-line ou submersas, apresentam alta qualidade, alta durabilidade, são destinadas a aquários marinhos e podem ser encontradas no mercado brasileiro com alguma facilidade. Uma das suas características é o eixo com rotor cerâmico, com desgaste quase nulo, seu custo, porém, é muito alto, em torno de 500 reais. Apesar de usar o fluido para sua refrigeração, o repasse de calor é muito baixo por causa das características do motor da bomba. O modelo 500 (500 GPH) fornece uma vazão de 1920 litros por hora, e o modelo 700 cerca de 2800 litros por hora.

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Esquema interno de uma MagDrive

Quietone 3000:A grande promessa em termos de bombas de ultima geração, possui os mesmo princípios de funcionamento de uma Mag Drive 700  e características de fluxo e pressão muito parecidos, porém seu motor tem altíssima eficiência, repassando pouco mais da metade do calor gerado por uma Mag Drive 7 ao fluído. Um excelente modelo, porém facil de encontrar.

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A QuietOne é uma ótima opção, e pode ser encontrada no Brasil com relativa facilidade, essa aqui recebeu as conexões da WaterCooler BR.

Quietone 4100:Entre as “topo de linha” uma das mais potentes e bem construídas bombas feitas para aquários marinhos, seu método de construção e funcionamento difere da grande maioria das bombas de alta performance, nessa bomba o eixo cerâmico do rotor é apoiado sobre rolamentos, toda sua lubrificação e resfriamento fica contido num compartimento selado com água destilada em seu interior, o fluido do sistema não faz a lubrificação nem o resfriamento do eixo e rolamentos, por isso o repasse de calor ao fluído é mínimo e seu funcionamento bastante silencioso.  Iwaki Series:Muito usada na Europa, são bombas de alta qualidade, embora seu método de funcionamento e construção não tenha diferença para as Magdrive ou Quietone 3000, também usando eixo com lubrificação feita pelo fluido do sistema, e rotor é convencional, mas seu motor (conjunto eletromagnético) é muito eficiente, especialmente nos modelos in-line. Baixo consumo, aquecimento mínimo do fluído e altas taxas de fluxo e pressão. Seria perfeita não fosse seu tamanho extremamente avantajado.

No mercado americano há alguns modelos bastante populares que muitas vezes são encontrados também no Brasil a preços relativamente competitivos, entre elas podemos citar a barata MaxiJet, e as não tão baratas EHEIMe Hydor. São modelos com desempenho equivalente a Better 2000, mas com qualidade e durabilidade muito superior, e com um repasse de calor menor. Os preços em variam entre 250 e 450 reais.

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É muito importante na hora de escolher uma bomba avaliar a relação entre fluxo, pressão, consumo e tipo de construção. Fluxos altos sem pressão não significam nada. O ideal é um fluxo superior a 500 GPH (Galões por hora, ou 1700 litros por hora) com uma coluna d”água de 2 metros para um sistema médio e 4 metros para um sistema de alta performance. Parece um exagero, mas não é. A simples redução da bitola da saída da bomba de uma polegada para uma mangueira de meia polegada já reduz 60% da vazão de uma bomba com apenas 3 metros de coluna d”água.

Consumo elétrico e tipo de construção estão relacionados ao repasse de calor para o fluído. Especificamente, o consumoestá relacionado às características do motor eletromagnético e seu resfriamento, enquanto o tipo de construçãoque nos interessa é aquele onde o eixo é selado, não usando o fluído para sua lubrificação e resfriamento. Unir essas características em uma única bomba com um custo aceitável ainda é o grande problema dos sistemas de watercoolers atuais. Radiadores

Os radiadores são responsáveis pela troca de calor do fluído com o ar, na temperatura ambiente. Se analisarmos conceitualmente, o Air Cooler é um radiador com ventoinha apoiado diretamente sobre a CPU enquanto o Watercooler é um radiador também com ventoinha, mas fisicamente colocado a distância, e que usa a água para se comunicar termicamente com a CPU.

Enquanto um Air Cooler faz a troca térmica em uma área muito reduzida, afinal os coolers a ar não podem ser muito grandes por causa da sua posição no PC, o radiador do watercooler pode ser de grandes proporções, maximizando a troca térmica. Além disso, um cooler a ar fica em uma região muito quente dentro do gabinete, próximo dos reguladores de voltagem, memórias, placa de vídeo e northbridge, e por isso recebem um ar pré aquecido por esses componentes, quando deveria receber um ar fresco. Em um watercooler instalamos o radiador em uma posição melhor ventilada, com grandes ventoinhas e ar bem fresco, na temperatura ambiente.

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A água é apenas o meio de transporte do calor entre a CPU e o radiador. Há outros sistemas de refrigeração que usam gás como meio de transporte, como os baseados em heatpipes, comuns em mini-barebones, onde parte do calor gerado pela CPU é levado por um tubo de gás para uma região mais distante e melhor ventilada.

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O F2 é um radiadorexcepcional, infelizmente caríssimo por causa da baixa escala de produção.

O brasileiro “Copyman” é um dos poucos que desenvolveu um radiador de latão vermelho para uso especifico em watercoolers, o radiador F2, e como era de se esperar seu custo ficou proibitivo por causa do custo do material e da escala de produção. Nesse radiador tudo foi pensado para uma performance máxima. O fluxo interno de ar é turbulento, o mesmo principio de turbulência interna num waterblock vale para o fluxo de ar que passa pelas aletas e tubos de um radiador, quanto mais turbulento, maior a troca térmica. Com 54 tubos chatos de latão vermelho, com densidades e espessuras das aletas corretas para o uso de ventoinhas de 120mm, esse radiador afeta muito pouco a pressão do fluido impulsionado pela bomba. É um produto completamente diferenciado daqueles radiadores automotivos que trabalham com blowers de alta pressão existentes nos sistemas de onde são derivados. Seu acabamento também é impecável. Seu produto anterior foi o radiador F1, adaptado de um modelo Delphy utilizados no Corsa, da GM, e que ainda hoje é usado por muitos usuários no Brasil, sendo capaz de dissipar até 180 watts de calor com duas fans de 120mm.

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O kit F1 é composto deum radiador de alumínio adaptado para uso em watercoolers, bem mais barato e também bastante eficiente, por causa de sua colméia bem fechada e o uso de tubos achatados. Ao lado temos um contêiner com uma bomba ATMAN 1200 submersa. Abaixo, o radiador fora do case que acomoda as ventoinhas.

Os radiadores automotivos usados nessas adaptações não são aqueles usados nos motores, e sim aqueles usados no sistema de aquecimento de ar interno da cabine. Eles ficam posicionados por dentro do painel do automóvel e recebem parte da água quente do motor, e quando o usuário aciona o aquecimento interno, o ar que vai para a cabine é direcionado para esse pequeno radiador e recebe parte do seu calor. Os melhores lugares para se conseguir um modelo para testes são em casas que instalam ar condicionado em automóveis, que muitas vezes precisam substituir esse radiador por outro, ou em ferro velho, já que a peça fica protegida por dentro do painel, seu estado fica preservado mesmo em um carro abandonado.

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Acima dois modelos com tubos redondos formando um circuito muito longo e restritivo, abaixo dois modelos com tubos chatos e paralelos, mais eficientes.

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Existem modelos com tubos de seção redonda () que são baratos e compostos de um único tubo que faz diversas curvas dentro de uma colméia com aletas, e modelos onde os tubos são achatados (), com maior área de contato com as aletas do radiador. A sessão redonda não é muito eficiente na troca de calor porque a superfície interna desses tubos em contato com a água é menor do que no sistema de tubos chatos. É também um radiador mais restritivo ao fluxo de água porque o único tubo, geralmente estreito, é muito comprido e opera em fluxo único enquanto o paralelo oferece várias vias de passagem simultâneas. O modelo com tubos chatos não só oferece mais área de contato interna com a água com menos restrição como também permite uma maior quantidade de aletas que farão a dissipação com o ar externo. É muito mais eficiente, mas também custa mais caro.

O tamanho do radiador vai depender da necessidade de dissipação térmica e da necessidade de espaço na instalação. É bom lembrar que o objetivo do radiador é receber um fluido aquecido e repassá-lo a uma temperatura igual ou próxima à temperatura ambiente. Bombas eficientes em um sistema com CPU de baixa dissipação não precisam de radiadores muito grandes para conseguir um fluido na saída do radiador na temperatura ambiente.

Por outro lado, se o usuário for fazer um overclock em um Pentium 4 Prescott, que passará a dissipar mais de 150 watts contra 103 watts originais, e ainda usar um block na placa de vídeo, acrescentando mais 60 watts ao sistema, e mais um no northbridge, acrescentando mais 15 watts, já estamos falando de um sistema de aproximadamente 220 watts de dissipação. Some a esse valor a dissipação térmica da bomba d”água em torno de 20 watts, e o tal usuário precisará de um radiador capaz de dissipar 240 watts de calor. Acredite, esse radiador não será pequeno, não será barato, e precisará de no mínimo duas ventoinhas de 120 mm de alta potência, que não o tornará silencioso.

A densidade correta de aletas para o uso de ventoinhas de 120mm é de 13 aletas por polegada. Densidades superior a essas vão requerer ventoinhas mais fortes para vencer a resistência e um sistema de coifas para equalizar a pressão do ar sob toda superfície aletada.

Radiadores normalmente tem a entrada e a saída de água no mesmo lado, isso significa no caso dos tubos paralelos que metade dos tubos é um caminho de ida e metade um caminho de volta. É preferível ter a entrada de um lado e a saída do outro, assim toda a largura formará um único caminho com mais tubos paralelos funcionando em um único sentido, com menos restrição ao fluxo.

Fazer boas coifas é importantíssimo para equalizar a pressão sobre a superfície aletada e reduzir as perdas com a área morta por trás do motor da ventoinha.