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Water Cooling: Handbook – Radiadores

El día de hoy les quiero hablar de los radiadores, esa pieza fundamental del circuito cerrado que tiene la función más crítica de todas: enfríar.

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El radiador es aquel elemento que hará uso combinado de los 2 mecanismos de transferencia de calor en el circuito, va a conducir la energía absorbida por el agua a través de sus aletas y al mismo tiempo va a liberarla al ambiente por medio de la convección forzada externa provocada por los ventiladores. Sin un radiador en un sistema, el calor no se puede disipar de forma eficiente.

Nota relacionada: Water cooling : Handbook – Bloques

En ésta sección se explica como funciona un radiador, sus características básicas, que radiadores son mejores que otros, el tipo de aplicación a los que estén orientados, buenas prácticas y compatibilidad.

Estado del arte

Existe gran variedad de radiadores, paso único, paso múltiple, intercambiador de flujo, flujo combinado, etc. En el mercado de enfriamiento líquido vamos a encontrar únicamente un tipo de radiador: el radiador de paso múltiple. El 99% de los casos, las marcas que venden radiadores (Alphacool, Magicool, Watercool, Aquacomputer, EKWb, XSPC, Phobya, Swiftech) optan por este tipo de diseño en forma de «U», pues la caída de presión en un radiador de doble paso es considerablemente menor a un radiador de paso único (tipo serpentín). El radiador se parte a la mitad para separar la entrada de la salida; cada entrada/salida se divide en múltiples canales permitiendo que el flujo se mueva de forma paralela, manteniendo caídas de presión uniformes por cada canal permitiendo al agua pasar sin tanta restricción. Éste fundamento aplica también a los radiadores tipo «crossflow».

dualflowComo podemos observar, el agua tiene que hacer una trayectoria en forma de «U», en donde el agua se divide para moverse a través de cada canal independiente y volver a mezclarse en la salida. El recorrido del agua en un radiador lo suficientemente grande (360mm o 480mm) dividido en su total de canales por lo general supera a la distancia en tramos de tubería del circuito entero, es por ello que consideramos el largo de tubería de intrerconexión en un circuito como una cantidad despreciable.

Los radiadores intercambian el calor entre su núcleo interno al ambiente por medio de las aletas en su exterior, las aletas de un radiador pegadas al tubo donde transita el agua permiten que el agua balanceé su temperatura con la del ambiente gracias a los ventiladores que forzan el flujo de aire a través de ellas.

Superficie extendida

Cuando existen grandes diferencias entre los coeficientes peliculares de transferencia de calor, se obtiene una mejora importante aumentando la superficie de contacto con el fluido de menor coeficiente:

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Esto aplica de la misma forma a la ley de enfriamiento de Newton que involucraba areas superficiales en el capítulo anterior, se transfiere más calor entre más superficie esté expuesta a la convección. Si las aletas no existieran, el área sometida a la convección de los ventiladores de un radiador se limitaría únicamente al área de cada canal de paso, reduciendo críticamente la capacidad de un radiador para transferir calor. Con superficie extendida nos referimos a aumentar el área expuesta a la transferencia, es por ello que las aletas de un radiador toman lugar en los mecanismos de transferencia.

Por sentido común nos imaginamos que un radiador más grande enfría más que uno pequeño y efectivamente es correcto. Bajo las mismas circunstancias, un radiador con la misma densidad de aletas, mismos ventiladores y mismo flujo va a transferir el calor de forma más eficiente entre mayor sea su tamaño y por lo tanto en teoría una densidad de aletas más grande implica mayor calor transferido. No obstante, dependiendo de la situación es necesario elegir una densidad de aletas adecuada para nuestro escenario.

Densidad de aletas

«Aletas por pulgadas» , «aletas por centímetro» o «FPI (fins per inch)», la cantidad de aletas contenidas por unidad de distancia nos da una idea aproximada de cuanto metal va a estar en el paso del aire que intente empujar un ventilador. Como se explicaba anteriormente, una mayor cantidad de aletas equivale a mayor área de superficie para la transferencia, pero no podemos pasar desapercibida al fuerza convectiva que efectua la transferencia: los ventiladores.

No es lo mismo querer soplar aire al ambiente que querer inflar un globo, el término de caida de presión existe para cualquier escenario que implique un fluído (aire, agua, etc.) De la misma forma no es lo mismo querer empujar aire a través de un radiador con poca densidad de aletas que uno con gran cantidad de aletas, lo que nos da 4 escenarios posibles (ignorando puntos medios).

  • Alto FPI – Alta presión estática de un ventilador
  • Alto FPI – Baja presión estática de un ventilador
  • Bajo FPI – Alta presión estática de un ventilador
  • Bajo FPI – Baja presión estática de un ventilador

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Baja densidad (izquierda) y Alta densidad (derecha) – Tom’s Hardware

De los 4 casos existen 2 que son los que queremos considerar dependiendo de las necesidades de nuestro sistema.

  • Alto FPI – Alta presión estática de un ventilador (Propuesta para mayor rendimiento)
  • Bajo FPI – Baja presión estática de un ventilador (Propuesta para menor ruido)

Las otras 2 opciones quedan fuera de consideración por lo siguiente:

  • Alto FPI – Baja presión estática de un ventilador (Incapacidad del ventilador para empujar aire a través del radiador)
  • Bajo FPI – Alta presión estática de un ventilador (Desperdicio de capacidad de un ventilador)

Ventiladores de alta presión estática como los ya descontinuados Gentle Typhoon, Silverstone AP182, GrandFlex, EK Vardar, San ACE, Delta, etc. (SP120 como mención honorífica). Son ideales para trabajar con radiadores de alta densidad de aletas, obteniendo mejores resultados en cuanto a la conducción interna y convección externa que el resto de los resultados.

Ventiladores de baja presión estática como Coolermaster Sickleflow, AF120, NZXT, etc. Pueden utilizarse en radiadores de baja densidad y trabajar a bajas revoluciones sin comprometer la temperatura considerablemente.

Un radiador de baja densidad de aletas actúa como «cuello de botella» para un ventilador de alta presión estática, sin embargo se puede considerar este escenario si se tiene algún modo de manipular las revoluciones por minuto de un ventilador para reducir el ruido del sistema. Protip: al reducir la velocidad de giro de un ventilador se reduce la presión estática que este puede generar, por lo que al reducir la presión el escenario cambia a «Bajo FPI – Baja presión».

Dimensiones del radiador

«Entre más radiador mejor», efectivamente entre más grande el radiador mejor será su capacidad para balancear la temperatura del agua con la del ambiente pues el área superficial aumenta. El rendimiento de un radiador depende tanto del área que abarca así como la calidad de los ventiladores que utilice. En el mercado la mayor cantidad de ventiladores de buen rendimiento para radiadores se ubica entre 120mm y 140mm, para las medidas de 180mm únicamente puedo recomendar los AP181 y AP182, el resto tiene capacidades cuestionables, para 200mm mi recomendación es evitar utilizarlos o ajustar algún AP182 pues no existen ventiladores de 200mm con suficiente presión estática para que un radiador de 200mm valga la pena.

A pesar de que un radiador sea lo suficientemente grante, sin ventiladores apropiados lo más probable es que palidezca contra un radiador más pequeño pero con ventiladores de buena presión estática.

Dicho esto, los radiadores se fabrican con respecto a las dimensiones de los ventiladores que hay en el mercado (120mm, 140mm, 180mm, 200mm, 80mm, etc) en distintos múltiplos.

Por ejemplo, un radiador de 360mm puede interpretarse como un doble 180mm o un triple 120mm. ek-coolstream-xtc-140-series_600

Para evitar confusiones, de vez en cuando los encontramos de forma literal (doble 120, triple 120, triple 180, single 120, etc). Pero esto solo se refiere al largo y alto del radiador, los radiadores como cualquier objeto en éste plano dimensional tienen una tercera dimensión: grosor.

¿Qué tan importante es el grosor de un radiador?

Un radiador de mayor grosor va a tener mayor área superficial que uno de menor grosor y por lo tanto mejor capacidad para transferir energía, pero ¿qué tanto es la diferencia?. Un radiador de 45mm y un radiador de 60mm del mismo tamaño superficial (Ej: 360mm) no mostrarán diferencia alguna en un escenario con ventiladores a baja velocidad; a alta velocidad, la máxima diferencia de potencia disipada entre uno y otro suele ser de 20Watts que se pueden traducir a 4 o 5° C (Martinliquidslab, 2012).

Esto se debe a que el incremento de área superficial no es lo suficientemente grande como para impactar al sistema considerablemente, lo importante aquí es el precio. Un Alphacool XT45 (45mm) de 360mm cuesta 85 dólares, un UT60 (60mm) cuesta 106 dólares y un Monsta (80mm) cuesta 115 dólares; depende del presupuesto del usuario si considera viable gastar 15 o 20 dólares más por diferencias de 5 a 10°. La verdad irrefutable es que un radiador más grueso que otro va a rendir mejor bajo las mismos escenarios.

Compatibilidad

Lo único que tienen «estandarizado» los radiadores son los agujeros para colocar ventiladores. Que tu gabinete soporte 2 ventiladores en una zona no significa que  la compatibilidad con un radiador dual está garantizada. El gabinete es lo que determina cuantos y cuales radiadores vas a poder poner dentro de el, para asegurarte que radiadores puedes utilizar en un gabinete en específico solo te queda de una: investiga y mide.

Cada radiador tiene medidas específicas que no están estandarizadas más que por la cantidad de ventiladores que puede alojar, el largo el ancho y el grosor varía con cada modelo y fabricante. Puede que tu gabinete pueda utilizar 2 ventiladores de 120mm pero los radiadores tienen pequeños depósitos en las vueltas en «U» así como zonas extendidas donde van los fititngs que puede que causen interferencia con algún elemento de tu computadora. El grosor del radiador puede interferir con memorias RAM, fuentes de poder o cualquier otro elemento de tu PC.

¡En ModdingMX/Hardware Reviews la filosofía es que si no se puede de una forma se pueda de otra! La mayoría de los problemas por falta de agujeros de montura o zonas de ubicación de un radiador se arreglan con un dremel. Pero problemas de interferencia entre componentes eléctricos es algo que deben tener en cuenta; lo ideal es buscar ensambles similares al que tengas en mente para confirmar la compatibilidad entre el radiador, el hardware y la ruta de tubería que quieras utilizar.

¿Cuánto radiador necesito?

Aquí lo que importa es el criterio, es claro que entre más radiadores tengas más aproximarás la temperatura del agua al ambiente resultando en mejores temperaturas en tus componentes, pero en casos de la vida real no es necesaria tal exageración.

Lo ídeal es ver cuanto calor genera cada componente, considerar la temperatura ambiente promedio del sistema, medir la caída de presión con un barómetro para cada componente, calcular el factor de darcy para convección forzada interna con el flujo total de una bomba medida por un sensor de efecto hall y obtener los momentos de esfuerzo cortante para analizar un sistema cambiante con respecto al tiempo y obtener la función de transfer-… Es complicado saber a ciencia cierta cuanto radiador necesitas porque la temperatura ambiente cambia en cada instante y varía en cada región del mundo. Lo que se hace es tomar un criterio, mi criterio personal es el siguiente:

Un total de (120x120mm)*número de componentes que se calienten considerablemente para escenarios no muy exigentes a temperaturas ambiente bajas (menores a 30°C).

Un total de (240mmx120mm)*número de componentes que se calienten considerablemente para escenarios exigentes a temperaturas ambiente bajas.

Un total de (360mmx120mm)*número de componentes que se calienten considerablemente para escenarios muy exigentes (alto overclock) a temperaturas ambientes altas. (35-42°C)

Buenas prácticas e instalación

Limpiar el radiador

Al recibir un radiador nuevo lo más probable es que dentro de el exista biruta o pequeñas particulas de polvo o tierra que definitivamente no queremos en el circuito. Lo ideal es hacer circular agua en el radiador para sacarle lo que tenga dentro. Mucha gente prefiere utilizar vinagre y agua destilada para limpiar el radiador, otra prefiere utilizar únicamente agua destilada por el temor de que los minerales del agua de la llave se adhieran a las paredes del radiador.

Mi recomendación es utilizar una manguera entre una entrada del radiador y una toma de agua de la llave. La presión de un grifo es más que suficiente para empujar cualquier impuerza fuera del radiador, no suelo utilizar agua destilada por el hecho de que es más costoso en comparación, los minerales del agua no destilada dificilmente se adhieren al radiador y aunque así fuera los minerales liberados gracias a la erosión del cobre una vez que el circuito está funcionando son mucho mayores a los que pueda dejar el agua en su paso.

Medir los tornillos

Instalar un radiador es tan sencillo como instalar un ventilador, dentro del radiador se incluyen tornillos para ajustarlo en alguna posición del gabinete, sin embargo es muy común entre principiantes perforar el radiador con un tornillo. Así como suena, es de suma importancia medir los tornillos antes de utilizar la fuerza para ajustarlos, algunos tornillos estan pensados para pasar por un ventilador para luego encajar en el radiador; si se utiliza un tornillo muy largo para instalar un radiador hasta el tope lo más probable es que el radiador se perfore y la fuga sea inminente. Éste tipo de situaciones no están cubiertas por ningún tipo de garantía y es uno de los procedimientos más críticos de la instalación por más sencillo que parezca.

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Evita tocar las aletas

Las aletas de los radiadores son delicadas, algunos modelos son resistentes pero otros se doblan hasta con la vista, la recomendación es siempre agarrar el radiador por su carcasa para evitar doblar cualquier aleta. Una aleta doblada difícilmente afectará el rendimiento del radiador pero lo que si deja es una muy mala presentación en el ensamble.

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Ubicación de los radiadores

No recuerdo ya cuantas veces he leído «tienes que poner un radiador antes de cada componente para que el agua se enfríe antes de llegar al siguiente componente» o «es para que no a la tarjeta de vídeo no le llegue agua que ya se calentó por el procesador». Total y completa mentira, es natural que uno piense de esa forma, si lo pensamos 4 segundos puede que tenga algo de sentido, pero la termodinámica no funciona de esa forma. Mucha gente asume esto porque piensa que el intercambio de calor sucede en un solo cíclo pero es obvio que el agua pasa por cada componente en más de una iteración, de la misma forma que no te quemas al pasar el dedo rápidamente por el fuego el agua no se calienta al punto de ebullición al pasar por un procesador, ni si quiera se calienta a la temperatura del chipset.

El aumento de temperatura del agua sucede por las repetidas veces que el agua está en contacto con las superficies calientes, eso evoluciona en función del tiempo, el agua se va a calentar de forma uniforme en todo el circuito, no va a pasar de 21° grados a 40° de golpe como para preocuparse de que un componente va a calentarse, de hecho, en caso de la física cambiara y así fuera, el componente balancearía su temperatura superficial con una referencia de 40°, en el peor de los casos el agua sigue enfríando el chipset, nunca lo calienta.

No te preocupes por el orden de los radiadores, preocupate por como los conectas entre sí, obligar al flujo a pasar por un radiador entre cada componente probablemente termine en utilizar más longitud de tubo y utilizar giros de 90° que aumentan la caída de presión interna del circuito haciendo que el agua requiera más fuerza para moverse y lo más importante, que el loop probablemente se vea horrible.

Posición de los radiadores

Un radiador incluye una sección donde el flujo da una vuelta entre la entrada y la salida, por lo general esa sección tiene la forma de un pequeño tanque donde permite que todos los canales en los que se divide el agua puedan reunirse sin perder velocidad. Sin embargo, al colocar un radiador de forma vertical en donde dicho depósito se encuentre hacia arriba creará un espacio de aire que difícilmente saldrá del circuito y provcará un deterioro del flujo en general. Lo ideal es colocar dicha sección boca abajo para evitar la formación de un espacio de aire en el radiador cuya presión pueda afectar negativamente el movimiento del flujo.

Conclusión

Tu no decides cuanto radiador vas a usar, tu equipo lo decide, tu gabinete lo decide, tu esquema de diseño lo decide, la estética del ensamble lo decide. Existen a la venta muchísimos radiadores de diferentes tamaños, densidades, grosores, modelos modulares, de baja presión, 100% cobre, con acabado matte, con acabado superficial, etc. Investigar por tu cuenta es la parte más importante, espero que con éste artículo se hayan despejado varias dudas conforme al uso y funcionamiento del intercambiador de calor, con esto concluyo la tercer parte de ésta guía de watercooling.

Como extra, mis marcas favoritas de radiadores: Alphacool, Hardware Labs y Aquacomputer.

¡Nos vemos en la cuarta parte! (Mi favorita)

Water cooling : Handbook – Bombas

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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