PC Cooling Pt. 3: Estratégias activas de dissipação de calor

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Quando foi abordada a temática das estratégias passivas de dissipação de calor, referiu-se que era prática comum combinar sistemas passivos com sistemas ativos de dissipação de calor. Ora, um sistema ativo de dissipação de calor é qualquer sistema faz uso de uma fonte de energia externa para promover o fenómeno de transferência de calor, sendo o uso de ventoinhas aquele que as pessoas estão mais familiarizadas. Mas este não é o único sistema, estando também o arrefecimento liquido, imersão e a criogenia dentro da mesma categoria.

Ventoinhas

Ao contrário dos sistemas passivos, o principal fenómeno de transferência de calor envolvido é a convecção, que no fundo se traduz no movimento ascendente e descendente de matéria de um fluido, logo, devido ao seu arranjo estrutural, não ocorre em matéria no estado sólido. Um dos fenómenos convectivos mais importantes é a convecção natural que ocorre quando dentro de um fluido existe um gradiente de temperatura que dá origem a um gradiente de densidade. Esse gradiente de densidade, e por via das forças gravíticas, gera um movimento de massa já que a matéria mais quente, logo menos densa, ascende enquanto que a matéria menos quente desce. Este é o fenómeno que dá origem aos ventos, que se verifica no aquecimento de água numa panela ou quando estamos a aquecer uma casa usando radiadores. Por outro lado, quando, por fator externo, se promove o escoamento do fluido ao longo de uma superfície, estamos perante convecção forçada, sendo este o fenómeno que se recria com o uso de ventoinhas.

convection

Matematicamente, o cálculo de fluxo de calor por convecção é efetuado usando a chamada lei de Newton para o arrefecimento (equação 1).

Q (fluxo de calor)=h.A.ΔT                                                   (equação 1)

À semelhança do fluxo de calor por condução verificamos que o fluxo de calor por convecção depende linearmente entre a diferença de temperatura entre a fonte quente e a temperatura do meio, da área de contacto e do coeficiente de transferência de calor por convecção (h) que, ao contrário da condutividade térmica, não é um parâmetro tabelado já que depende de vários fatores processuais, sendo que a velocidade de escoamento apresenta um maior impacto como pode observar na figura seguinte.

air_heat_transfer_coefficientFonte: The Engineering Toolbox

O uso de ventoinhas apresenta então dois propósitos: aumentar a velocidade de escoamento do ar e garantir que o ar que entra em contacto com a superfície quente se encontra à temperatura do meio envolvente, melhorando de forma bastante substancial a capacidade de dissipar calor. No entanto, esta técnica não é suficiente para conseguir transferir todo o calor gerado por componentes eletrónicos uma vez que a área de contacto é bastante baixa, logo é necessário que se use ventoinhas juntamente com equipamentos passivos (alhetas, radiadores).

Existem variados tipos de ventoinhas e configurações que podem ser aplicadas no arrefecimento de computadores, cabendo sempre ao consumidor fazer uma escolha que sirva os seus interesses e propósitos. Na próxima parte desta série de artigos serão abordadas algumas configurações e estratégias de posicionamento de ventoinhas para melhorar o arrefecimento de computadores.

Arrefecimento líquido

Nos últimos anos, e graças a produtos de empresas como a Corsair, Thermaltake ou NZXT, a aplicação de liquid cooling em computadores tem-se tornado uma prática mais generalizada e não apenas restrita a entusiastas. Em termos de fundamentos teóricos, o arrefecimento líquido é em tudo semelhante ao arrefecimento a ar, com a única diferença que o coeficiente de transferência de calor por convecção em líquidos ser superior ao dos gases, às vezes por ordens de grandeza.

H100i_hero_fanCpu Cooler H100i da Corsair. Fonte: Corsair

No entanto a aplicação desta técnica implica custos mais elevados comparativamente com as técnicas que já foram abordadas, já que, e ao contrário do ar, os líquidos de arrefecimento não são gratuitos (às vezes apresentam custos elevados quando estamos a falar de líquidos de alto desempenho ou que tenham de operar em condições mais exigentes) e devem ser usados num circuito fechado, os custos de operação também aumentam já que necessitam de ser bombeados e não nos podemos esquecer que em algum ponto do ciclo de arrefecimento é necessário remover o calor do fluido para que ele possa posteriormente remover calor dos componentes. Ou seja, em termos práticos quando falamos de arrefecimento líquido temos de ter presente também sistemas passivos e arrefecimento a ar para que toda a estratégia de arrefecimento seja eficiente e acima de tudo compacta.

Variantes

Dentro do arrefecimento líquido de computadores podemos ter algumas variantes importantes devido à elevada quantidade de fluidos e técnicas a serem aplicadas.

  • Water cooling: esta é a variante mais comum e barata já que usa água ou uma solução aquosa diluída como fluido de arrefecimento. Apresenta como vantagem ser mais barata e facilmente pode reposta, mas o seu desempenho térmico não é tão bom quanto outros fluidos especializados e em caso de fuga, o contacto com componentes eletrónicos pode provocar curto-circuitos e danificar completa e irremediavelmente os componentes;
  • Submersion Cooling (arrefecimento por imersão): esta estratégia é um pouco diferente de water cooling já que em vez de termos um circuito fechado com o líquido de arrefecimento que não pode entrar em contacto direto com os componentes, temos os componentes diretamente mergulhados no meio. Isto permite uma troca de calor mais rápida e eficiente entre os componentes e o fluido, mas apresenta algumas desvantagens e restrições: Para começar, o liquido a ser utilizado tem de ser pouco viscoso, apresentar propriedades dielétricas para evitar curto-circuitos, deve ser hidrofóbico para evitar que haja água no meio, muito pouco volátil (a menos que se queira optar por uma estratégia de imersão com evaporação que requer outro tipo de cuidados), apresentar uma temperatura de ignição bastante acima da temperatura máxima de funcionamento dos componentes eletrónicos e não pode ser corrosivo. Ora perante tais exigências não deverá ser difícil entender que não há assim tanta variedade de fluidos a utilizar e que apresentem um custo elevado. Um dos líquidos mais comuns para este tipo de arrefecimento é o chamado óleo mineral. Um óleo mineral não é um composto mas sim uma mistura de compostos obtidos através de fontes não-vegetais (ou se preferirem, minerais), normalmente através da destilação de petróleo, sendo constituídos por parafinas, olefinas e/ou compostos cíclicos. Devido aos seus componentes, os óleos minerais são incolores, menos densos que a água, não apresentam cheiro e não conduzem eletricidade embora conduzam calor de forma eficiente e são das alternativas mais baratas e fáceis de encontrar. No entanto há que referir que existem algumas limitações com esta técnica já que é necessário que todo o equipamento se encontre dentro de um reservatório estanque, certos componentes com partes móveis (discos rígidos, leitores) não podem ser mergulhados já que a sua integridade e funcionamento estariam em risco, e a passagem de um componente submerso novamente para air cooling requer uma limpeza profunda que normalmente é um pouco entediante e demorada.
front_angleComputador arrefecido por imersão em óleo mineral. Fonte: Puget Systems
  • Criogenia: esta técnica é semelhante ao arrefecimento por imersão já que o fluido criogénico entra em contacto direto com os componentes. No entanto esta técnica apenas surge como uma medida extrema que apenas é aplicável durante testes de overclocking extremos, já que a criogenia apresenta custos elevadíssimos e os riscos associados são bastante elevados, razão pela qual esta técnica apenas deve ser executada por pessoas devidamente treinadas para o efeito. Dentro dos fluidos criogénicos o mais comum é mesmo o azoto líquido.

No próximo artigo será abordada a aplicação direta das técnicas até aqui exploradas, bem como alguns truques para melhorar a sua performance e evitar o sobreaquecimento dos componentes.

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