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Water Cooling: Handbook – Bombas

Un sistema de enfriamiento líquido funciona por el simple hecho de que el agua se está moviendo constantemente en el circuito para poder liberar el calor al ambiente, por obvias razones, la presencia de una bomba en nuestro sistema es algo indispensable y hay características importantes que hay que tomar en cuenta.

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La bomba, al igual que la gran mayoría de los mecanismos móviles, funciona a base un motor, una parte del sistema mecánico que se encarga de transformar un tipo de energía en movimiento capaz de realizar un trabajo ¿qué trabajo? Mover el agua. Si abrimos una bomba diseñada para sistemas de enfriamiento líquido de computadoras, lo que vamos a encontrar será un motor que consta de varios embobinados que hacen que un impulsor gire y mueva el agua, pero como todo motor, sus capacidades están limitadas por la geometría del impulsor, la eficiencia de transformación de energía eléctrica a mecánica, etc. Para no revolvernos tanto la cabeza, los fabricantes de bombas nos han aligerado la carga de información al brindarnos datos contundentes con los que podemos determinar si una bomba nos sirve o no.

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Flujo de una bomba

Preferiría no decir esto pero creo que es necesario dada la costumbre del cliente promedio al querer decidir si una bomba es buena o no. (Jon. A 2016) «A la gente solo le importa el flujo y ya»; en parte, el flujo de una bomba es uno de los dos parámetros que determinan la capacidad de una bomba. Antes de avanzar, ocupo explicar que realmente es el flujo.

El flujo (en éste caso, flujo volumétrico) es aquella razón de que tanto volumen (Q) puede moverse a través de una determinada área transversal (A) a determinada rapidez (V).

Q=V*A

Esta ecuación se puede comprender fácilmente si tomamos de ejemplo una manguera de jardín, donde si dejamos el agua fluir, esta saldrá a cierta velocidad, pero si apachurramos la salida de la manguera, la velocidad aumentará como consecuencia. Al cambiar el área de la boca de la manguera, no cambiamos el flujo, cambiamos la velocidad, no llenamos una cubeta más rápido presionando una manguera para que el agua salga más rápido, porque sacrificamos el área en su lugar, el flujo lo define aquello que empuja el agua, sea una bomba o sea la misma gravedad. 

Las bombas para enfriamiento líquido incluyen entre sus especificaciones la cantidad de flujo a la que pueden trabajar, por ejemplo 317 galones por hora (GPH), 1200 litros por hora (LPH), 20 litros por minuto, etc. Por lo general la gente decide sobre una bomba u otra basándose en que tan grande es el flujo, en efecto, un mayor flujo se puede traducir a mayor velocidad del agua pasando por el mismo agujero.

Si tuviéramos dos bombas distintas empujando agua al aire libre (ambiente), una bomba de 1200lph (usualmente D5) empujaría el agua más rápido que una bomba de 600lph (usualmente DDC), pero este escenario es en un entorno sin restricciones, el circuito de un sistema de enfriamiento no es precisamente «libre de restricciones», la verdad es que nada en este planeta lo es, ni si quiera impulsar agua a la atmósfera, puesto que hay que vencer la presión atmosférica. Es aquí donde entra en juego la segunda característica de una bomba, la presión o «cabeza».

Presión de cabeza de una bomba

Regresando al ejemplo de la manguera de jardín, al dejar fluir el agua a través de ella podemos observar que el flujo cambia dependiendo de la posición en la que rociemos el agua; no es lo mismo rociar el agua con la manguera paralela al piso que intentarlo ubicando la boca de la manguera hacia arriba, el flujo se «desgasta» cuando aparecen restricciones, en este ejemplo, la restricción es la altura que la presión del agua debe superar, la «fuerza» con la que tiene que empujar el agua hacia arriba.

La mecánica de fluidos, en el estudio de restricciones al paso de un fluido puede abarcar gran variedad de parámetros tales como viscosidad del fluido, factor de fricción, caídas de presión por altura, rugosidad del canal (fricción en tuberías), cantidad total de recorrido, pérdidas menores (vueltas en U, cambios de ángulo en la trayectoria, bifurcaciones, ensanchamientos, contracciones, etc). Absolutamente todas estas están presentes en un sistema convencional de enfriamiento de una computadoras, hay alturas que superar, una longitud total que recorrer, los bloques de agua hacen caminos con muchas curvas, etc. Al conjunto de todas estas singularidades es a lo que llamamos restricción en el circuito y varia bastante dependiendo de la cantidad de cosas que agreguemos al sistema.

Puede sonar a que son demasiadas cosas que hay que tomar en cuenta pero afortunadamente para nuestra comodidad, no existe como tal una base de datos que nos brinde la información precisa de que tanta presión «necesita» cada parte del sistema como para que hagamos un diseño sumamente preciso, para ello establecemos criterios muy generales pero lo suficientemente útiles.

  • Los bloques de agua (CPU, GPU, Motherboard, Chipset, etc) son las principales restricciones del sistema, básicamente estas son las presiones a «vencer».
  • Los radiadores, dada la amplitud de su canal y la vuelta en U bastante abierta, son restricciones menores que no afectan gravemente al sistema, se podría decir que no hay mucha diferencia entre tener 2 radiadores a tener 4.
  • Los tubos, manguera y fittings rectos (barbs, compression, push-in, plug, etc) solo representan deterioro por rugosidad del material y longitud total, la restricción total de estos elementos suele ser incluso menor al de un radiador pequeño, muy mínimas que por lo general no se toman en cuenta.
  • Los fittings que no sean rectos tales como angulares fijos o rotacionales (30°, 60°, 45°, 90°, 180°), así como los dobleces de tubo rígido son consideradas perdidas menores. Aunque también suelen despreciarse, en conjunto pueden llegar a ser más restrictivos que un radiador, para sistemas compactos con bombas débiles es recomendable utilizar pocos angulares o bien evitar el uso de 90° que suelen ser los más agresivos para el flujo.
  • Los reservorios no representan restricciones al estar abiertos al ambiente al empezar a llenar el sistema, una vez cerrados solo pueden ser considerados restrictivos si existen burbujas en el sistema que requieran salir al ambiente.

A todo esto ¿De que sirve el valor de cabeza o presión de la bomba? La presión o cabeza por lo general se representa en psi, n/m^2 o de forma más frecuente en metros o pies. Al igual que el flujo nominal, entre mayor sea la cabeza podrá vencer la presión del sistema entero sin sacrificar tanto flujo. De esa forma, estos 2 parámetros se combinan, uno depende del otro, lo que nos importa al final es el flujo pero si una bomba dice ser de 1200lph de ninguna forma, bajo ninguna circunstancia, va a entregar 1200lph al conectarse al circuito. El flujo final dentro del circuito dependerá de:

  • Que tanto flujo inicial tenía para ir disminuyendo
  • Que tanta cabeza tiene la bomba para que el flujo disminuya rápido o lento ante la cantidad de restricción

Gráficas: Flujo vs Presión

No podemos adivinar por intuición o manifestación divina, el fabricante de la bomba suele tener entre sus especificaciones una gráfica llamada NSPH que nos muestra el comportamiento de las bombas utilizando los 2 parámetros anteriores en una curva de rendimiento, para bombas de alto rendimiento por lo general tratamos con 2 tipos elaboradas por el mismo fabricante: Laing.

Laing fabrica absolutamente todas las bombas llamadas D5 y DDC, éstas bombas pueden variar en su nombre dependiendo de aquel que le ponga la etiqueta. Swiftech les llama MCP35x a las DDC y MCP650 a las D5; Alphacool le llama VPP655 a la D5, pero no dejan de ser la misma bomba con ligeras modificaciones como PWM o en ocasiones mayor potencia.

Considerando lo anterior, pues la respuesta es sencilla «pues me compro la bomba con mejor flujo y mejor cabeza» pues no. Sin considerar a Iwaki, que en mi opinión ya no tienen cabida en el mercado convencional, las únicas bombas de gama alta son la D5 y la DDC y hay un pequeño dilema entre las 2.

  • La D5 tiene un muy buen flujo inicial (1200lph) pero una cabeza de 3.9m
  • La DDC tiene un flujo inicial de 600lph pero una cabeza de hasta 7m

Has de estar pensando «ah pues la DDC tiene la mitad de flujo pero solo 3m más de cabeza por lo que la D5 debe ser mejor» pues no. No es una regla de 3, no son comportamientos lineales, por algo se llaman curvas de rendimiento.

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Aquí tenemos una gráfica con 2 curvas, la roja es de una DDC mientras que la azul es de una D5. Ignorando el hecho de que la DDC tiene top, sirve para explicar la importancia de la relación flujo vs cabeza.

Ambas bombas empiezan en el eje de vertical con sus respectivas cabezas en PSI, la DDC se ubica más arriba por tener una mayor cabeza mientras que la D5 empieza su gráfica ligeramente más abajo. Si la presión de un circuito iguala o excede la cabeza de una bomba, esta no podrá mover el agua porque no tendrá la «fuerza» para empujar el agua, por lo que el flujo será de 0 (GPM) como muestra la gráfica. A medida de que la restricción del circuito disminuya, el agua podrá empezar a fluir; por ejemplo, si el sistema tiene una presión de 5 PSI, la DDC podrá ofrecer un flujo de aproximadamente 1.50 GPM mientras que la D5 entregará aproximadamente 0.60-0.70 GPM. En un caso intermedio, las gráficas se interceptan en 3.5GPM, donde ambas bombas tendrán un flujo de 2.50 GPM, para restricciones menores a 3.5GPM, la D5 sobrepasará a la DDC en flujo, con esto podemos determinar dos cosas muy importantes que es lo que al final del día debería hacerte hacer decidir por una de estas 2 bombas.

Las bombas D5 son ideales para circuitos poco restrictivos

Las bombas DDC son ideales para circuitos restrictivos

Felicidades, después de leer tanta información que sirve más que nada para explicar el estado del arte de las bombas, al fin tienes información útil para tu compra, pero ¿Que tanto es «poco restrictivo» o «restrictivo»?

¿Que tanta bomba necesito?

Probablemente menos de la que crees, hay gente que suele poner hasta 2 bombas (que explicaré un poco más abajo) por la paranoia de necesitar más flujo. La verdad es que no lo necesitas y probablemente gastaste de más.

El agua del circuito se puede mover de dos formas, se le llaman flujo laminar y flujo turbulento.

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El flujo laminar es ordenado, como si el agua viajara en capas una tras otra, igual que la pasta de dientes al salir del envase; el flujo turbulento es caótico, las partículas del agua rebotan entre si para abrirse camino entre el flujo. Es como si el flujo laminar fuera como conducir en las calles de Holanda mientras que el flujo turbulento es conducir en Villahermosa. Lo que buscamos en un sistema de enfriamiento es flujo turbulento y ya, no ocupamos velocidad del flujo como tal, buscamos que el agua se mueva violentamente como para que todas las partículas de agua logren absorber calor individualmente, en el flujo laminar, al ser tan ordenado, solo las partículas de agua que se encuentren en las paredes del canal podrán absorber el calor, dejando a las del centro sin transferir calor. Para lograr flujo turbulento hay que mantener el criterio de Reynolds que involucra densidad y viscosidad del fluido, velocidad lineal y diámetro del tubo pero no me voy a meter a explicar eso, por estándar, los sistemas de enfriamiento requieren aproximadamente 1.5 o 2 GPM para funcionar correctamente sin ceder a volverse flujo laminar.

No importa que tan rápido vaya el agua, mientras sea turbulento es suficiente, requerir que vaya más rápido suele ser contraproducente, las bombas entre más potencia requieran para empujar el agua, como cualquier mecanismo, se va a calentar y es calor que tendrá que disipar el agua.

En lo personal suelo utilizar esta regla para decidir que bomba es adecuada para determinados sistemas.

Ignorando radiadores y angulares:

1 Bloque

  • XSPC 750/Ion
  • Alpahcool DC-LT
  • EKwb DCP

2 Bloques (GPU Y CPU)

  • D5 (Vario / PWM)

3 Bloques (CPU y 2 GPU)

  • D5  o DDC  (Por lo general suelen ser lo mismo en este tipo de configuraciones)

4 Bloques (CPU, 3 GPU o 2way-SLI + Motherboard)

  • DCC, de preferencia 3.25 o 18w

5 o más bloques

  • 2 D5 en serie o 2 DDC en paralelo

Es claro que uno puede decidir usar una bomba no adecuada para su sistema, claro que se puede, pero el rendimiento no será el mismo.

Bombas en paralelo y en serie

Antes de empezar con esto, solo recomiendo estas configuraciones para sistemas altamente restrictivos. Colocar bombas en serie o en paralelo escala casi de forma lineal uno de los 2 parámetros de las bombas, es altamente recomendable que las bombas sean el mismo modelo para evitar cavitación o menor desempeño.

  • Dos bombas idénticas en serie aumentarán teóricamente su cabeza al doble
  • Dos bombas idénticas en paralelo aumentarán teóricamente su flujo al doble

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Por lógica, una combinación en serie adecuada es poner 2 D5 en serie para compensar la cabeza que una sola D5 no tiene, mientras que 2 DDC en paralelo compensan el flujo que una DDC sola carece.

Una desventaja de las conexiones en serie es que si una bomba llega a detenerse, se vuelve una restricción, pues ya no aporta al movimiento del flujo, solo lo obstruye cerca de la segunda bomba, deteriorando su momentum. A pesar de esto, ambas configuraciones suelen utilizarse más que nada como medida de seguridad al añadir redundancia en caso de que falle una bomba (con mejores resultados en paralelo).

Tops 

Algunas bombas funcionan por si solas, por ejemplo la D5 convencional que incluye una entrada y una salida que pueden acoplarse a manguera como la que se muestra a continuación.
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A pesar de ello, es común ver que las bombas se vendan «desnudas» sin ningún tipo de armazón, pues están pensadas para que el consumidor instale algún «top» como en la siguiente imagen.

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Para este tipo de bombas es necesario utilizar un «top», un pequeño armazón diseñado para sustituir al de fábrica que muchas personas encontrarán feo o tosco. No obstante, el top no solo tiene un atractivo visual, pues está comprobado que determinados modelos suelen mejorar considerablemente el rendimiento de una bomba al tener un diseño que facilite el flujo de la bomba sin interrumpir su momentum.

Water cooling

Consideraciones y manejo

Colocar una bomba no es complicado, al igual que un bloque tiene entradas y salidas para estar conectada al circuito, sin embargo es pertinente hacer caso a las siguientes instrucciones para evitar dañar la bomba o el sistema entero.

  • Una bomba debe estar lubricada

Es muy común escuchar «el reservorio va siempre antes de la bomba» pero solo es una sugerencia para que la bomba no se quede seca, de hecho algunos circuitos no usan reservorio. La bomba la puedes ubicar virtualmente donde quieras siempre y cuando encuentres la forma de que no arranque en seco. Para principiantes es preferible dejarla en el reservorio o incluso comprarla en combo donde el reservorio va unido a ella. No por estar unida al reservorio con un tubo significa que esté en contacto con el agua, si el reservorio está cerrado y crea un vacío de tal forma que el agua no toque la bomba, entonces está seca y probablemente dañes la bomba permanentemente.

  • Liberar burbujas del sistema

Las burbujas no son tanto problema como la gente cree, pero es recomendable liberarlas para evitar ruido en la bomba, recuerda mantener destapado el reservorio mientras liberas las burbujas y si es posible inclina el gabinete en varias direcciones (sin tirar el agua del reservorio) para sacar burbujas atoradas en el circuito. Es recomendable prender y apagar la bomba varias veces para aprovechar la inercia del encendido, así como utilizar la bomba en su máxima velocidad en caso de ser variable (D5 vario). Para prender y apagar la bomba que va conectada a la fuente de poder, en lugar de prender la PC entera puedes puentear el pin verde con cualquiera de los negros de tu cable de 24 pines, de esa forma puedes empezar a mover el agua sin temor a que una posible fuga haga corto circuito con la motherboard o tarjeta de vídeo.

Water cooling

  • Considera el tamaño y el ruido

El flujo y cabeza son parámetros muy importantes en las bombas, pero recuerda que este hobby es también por apariencia, las bombas D5 son considerablemente más grandes y estorbosas que una DDC que puede ser ideal para sistemas compactos. No obstante las D5 suelen ser más silenciosas que las DDC, aunque el ruido de las DDC se limita a un «hmm» bastante ligero.

Extra: no se recomienda utilizar DDC ni mucho menos doble DDC para sistemas muy sencillos (1 bloque), como son diseñadas para circuitos restrictivos, suelen calentarse mucho frente a escenarios muy ligeros para su capacidad.

Water cooling

Algunas bombas muy pequeñas y compactas como las Alphacool DC-LT con su propio top y reservorio o el XSPC Ion son ideales para circuitos sencillos en espacios pequeños.

Con esto concluyo la cuarta parte de esta guía, lamento mucho la demora escribiendo esto, espero haya sido de ayuda para cualquier proyecto que tengan entre sus planes. ¡Nos leemos en la siguiente parte!

Water cooling: Handbook “Fittings y Tubos”

Autor

Entusiasta amante de la tecnología además de Ingeniero Mecatrónico - Especialista en el Watercooling, hardware de alto rendimiento y redes de datos CISCO.
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