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Titolo: Trasmissione del Calore - Convezione [lungo]

@@@ Riassunto @@@
Abbiamo visto cosa siano il Calore e la Temperatura, almeno a livello
pratico.
Abbiamo visto che il calore ha tre modi di trasferimento, sempre da un corpo
ad alta
temp. ad uno a bassa temp.
Abbiamo parlato della Conduzione, ovvero del trasferimento del calore
attraverso i
solidi.
Andiamo a parlare del traferimento per Convezione.
@@@ Trasmissione per Convezione @@@
La trasmissione del calore tra due corpi attraverso un fluido si dice che
avviene per
Convezione.
Il fluido può essere l'aria che troviamo all'interno dei nostri case,
l'acqua di alcuni
sistemi di raffreddamento a liquido, olio diatermico (uso industriale),
vapore (idem),
miscele di acqua ed addittivi (tipo Paraflu)...
Lo scopo dell'uso di un fluido e la sua scelta dipendono dall'applicazione
vera e
propria, ovvero dipende da cosa se ne vuol fare di questo calore che si
asporta dal corpo
"caldo" e da come occorre asportarlo.
Nel caso particolare del raffreddamento dei processori l'obiettivo è quello
di asportare
la maggiore quantità di calore dalla CPU e di portarlo all'esterno del case.
Il primo aspetto vede quindi la ricerca del miglior coefficiente di scambio
possibile; il
secondo l'evacuazione di questo calore e la sua dispersione in un altro
vano.
@@@ Miglior coefficente di scambio @@@
Il Coeff rappresenta la quantità di calore che, in regime stazionario, passa
attraverso
una superficie unitaria a contatto col fluido, per un salto di temperatura
unitario; si
chiama anche coefficiente di adduttanza. Viene espresso in  W/[m2 x K] e si
rappresenta
con la lettera greca alfa (userò poi la a minuscola).
Se prendiamo in esame un dissipatore liscio, piano, senza alette, esso avrà
un coefficie
a funzione della velocità del fluido. La formula derivante dalla pratica
fornisce che
a=2,33+10,47*RADQ(velocità), con velocità in m/s ed a sempre in W/(m2*K).
Provando a metter giù un pò di dati (diemnsioni standard di ventole e
dissipatori) si
ottiene che un dissipatore di 50x50, con una portata di 30 cfm (piedi cubi
al minuto) ed
una differenza di temperatura di 45 K (°C, tanto è una differenza) dissipa
circa 3W;
uno di 90x90 ne dissipa circa 6.
Quindi potenze ridicole per processori che arrivano a produrre anche 100W.
Ma stavo parlando di dissipatori lisci... come un muro di una casa.
I dissipatori in commercio non sono lisci, hanno un sacco di alette e delle
forme più
strane, lamelle, tondini, spire, a sezione quadra e via dicendo.
Hanno inoltre anche uno spessore (prima non considerato), variabile da 15 a
50 mm.
Quaesta struttura alettata serve ad aumentare la superficie di scambio, ed
essendo a in
funzione dei m2 della superficie radiante capiamo bene quanto sia importante
che la
superficie debba essere la più grande possibile.
Dobbiamo però parlare di moto laminare, transitorio e turbolento prima di
parlare di
superficie radiante.
I moti suddetti indicano lo stato delle masse d'aria in movimento
all'interno di un
fluido dotato di velocità.
Un moto laminare indica una coerenza tra le masse tale da poter riconoscere
diversi
strati di velocità all'interno del fluido, le velocità sono funzione della
viscosità del
fluido e della rugosità della superficie.
Un moto turbolento indica una serie di velocità diverse, istante per
istante, per tutte
le masse, anche della direzione del loro movimento, quindi un gran casino.
Il moto transitorio vede contemporaneamente zone laminari e zone turbolente.
Questi moti hanno notevoli impatto sul coefficiente di scambio. I risultati
migliori si
hanno con moto turbolento.
Ma fino ad un certo punto. Una velocità elevata implica anche notevoli
"attriti", più
correttamente di notevoli "perdite di carico" (energia posseduta da un
fluido), che
comportano una riduzione della portata volumica del fluido stesso (la
massica tende ad
essere costante...). La riduzione della portata implica una riduzione della
velocità
media attraversamento del dissipatore e quindi un deterioramento del
coefficiente a.
Cmq il guadagno in moto turbolento compensa abbondantemente la perdita per
riduzione di
portata.
Come centra un tipo di moto con la superficie radiante?
Bene,data la superficie effettiva di scambio di un dissipatore, si parla di
virtuale
quando questo è attraversato da un fluido. Il rapporto che esiste tra la
sup.effettiva e
quella virtuale è funzione della velocità del fluido, delle perdite di
carico, della
geometria delle alette, della relatività tra flusso radiante e flusso
assorbente.
La superficie virtuale viene determinata sperimentalmente, condizione per
condizione, non
esiste ancora un modello matematico che risolve le varie incognite.
Ma alla fine dei conti di quanto sia la superficie virtuale non ci interessa
più di
tanto, anche perchè viene generalmente calcolata in modo indiretto.
Come? Calcolando la potenza dissipata dalla struttura W=R*DT, dove W è la
potenza
dissipata che risulta essere il prodotto della Resistenza Termica e del
differenziale di
temperatura tra fluido e corpo caldo.
Si parla quindi di Resistenza Termica R=DT/W, che è il parametro di
riferimento dei
dissipatori.
Bene, la RT deve essere la minor possibile, stando ad indicare il salto di
temperatura
che si ha per ogni W che si vuol dissipare.
Ad esempio, una cpu da 100 W che utilizzi un dissipatore con R=1 vedrebbe un
DT di 100 K
tra temperatura del processore e del fluido, quindi se l'aria si trova a 25
°C la cpu
sarà a 125 °C !!! Un sistema a liquido, con l'acqua a -20 °C avrà la cpu ad
80 °C...
@@@ La Resistenza non è tutto @@@
Tutto questo disquisire per poi affermare che il parametro di riferimento
dei dissipatori
non è tutto ? Già.
Vediamo perchè.
La Resistenza Termica non è un parametro fisso, bensì varia in funzione dei
seguenti
parametri: velocità del fluido, temperatura del fluido, pressione.
Abbiamo quindi una curva della R, in funzione di tali aspetti.
Cercando sul web ho trovato solo il sito delle Alpha (
www.alphacooler.com
,
poi
reindirizzato) che mostra le curve dei suoi dissi, modello per modello.
Si trova inoltre la descrizione di come realizzino i test per il calcolo
della stessa.
Bene, qui viene il bello.In tutti i test la corrente d'aria investe il
dissipatore in senso trasversale, ovvero il vettore della portata è
perpendicolare al gradiente di temperatura.
Nella pratica tutti i dissipatori funzionano spingendo l'aria verso la cpu o
asportandola
dalla cpu, quindi in condizioni parallele (anche se di verso concorde o
discorde).
Il verso discorde (il più diffuso) darebbe teoricamente il miglior
rendimento; è quello
che si usa per scambiatori di calore a tubi, intercooler acqua/olio e via
dicendo.
Esistono però pochi casi in cui sia felicemnte realizzabile una situazione
ideale per uno
scambio discorde.
@@@ Come funziona in pratica un dissipatore Discorde @@@
Immaginate il nostro processore di riferimento che fornisca una potenza di
100W e che sia
sormontato da un classico dissy con soffiante verso la cpu.
In regime stazionario (ovvero dopo la stabilizzazione delle temperature)
osserveremo una
distribuzione delle temp. concentrata verso il processore e via via una
diminuzione
dell'intensità delle stesse allontanandoci dal nucleo.
Se teniamo presente che il calore si propaga meglio per conduzione che per
convezione
avremo che le alette più esterne lavoreranno meno e peggio di quelle più
interne, poichè
la loro temp. di esercizio sarà inferiore e quindi in grado di smaltire meno
potenza
termica.
Un dissipatore che avesse poi le alette lunghe vedrebbe accentuarsi ancor
più il
fenomeno, poichè la massa delle alette centrali arriverebbe ad eguagliare o
superare la
massa periferica della base del dissipatore.
Volendo proprio essere puntigliosi... la temperatura media del fluido che
lambisce la
parte più calda è più elevata della temperatura esterna, ha già asportato
calore dalla
parte superiore delle alette e deve ancora incontrare la parte più calda!
Per farla breve, la soluzione migliore prevede una soffiante che incroci il
gradiente.
Esempi di queste soluzioni sono i radiatori dell'auto, i termosifoni di
casa, il
raffreddamento dei grandi trasformatori (se avete mai visto una centrale
elettrica o di
distribuzione)...
@@@ Flusso incorciato @@@
In presenza di un flusso incrociato si risolvono o cmq si limitano parecchie
degli
aspetti negativi del sistema a flusso discorde.
L'aria evacuata non finisce sulla scheda madre, o peggio sulle ram, o peggio
ancora sul
chipset.
Per ridurre il fenomeno del riscaldamento del fluido prima di incontrare la
parte più
calda si può utilizzare un dissipatore più stretto, ovvero più corto nel
senso del
flusso.
Si possono usare due soffianti, uguali, una posta a monte ed uan a valle,
con la stessa
direzioen del flusso, riducendo le dimensioni di entrambe per ridurre il
rumore e
garantire il passaggio di tutta la portata attraverso il dissipatore.
Quindi la parte alettata deve essere "chiusa", ovvero avere due soli lati
"aperti".
Volendo si può prevedere la canalizzazione del flusso d'aria, aspirazione e
scarico
direttamente al di fuori del case, anche se difficilmente realizzabile.
@@@ Esistono dissipatori Incrocianti ? @@@
Si, ne esistono, pochi ma li hanno costruiti.
L'esempio più evidente è lo Zen Radiator (prova su HwUpgrade:
http://overclock.hwupgrade.it/articoli/571/index.html
).
Nella recensione/test si vedono chiaramente le tecniche costruttive ed i
particolari
della struttura che sfruttano appieno la tecnica del flusso incrociato.
Purtroppo nel test hanno cercato di spingere la cpu su di frequenza e non
hanno badato
alle temperature di esercizio. Ha raggiunto le medesime frequenze del SK6
con ventola
Delta. Potrebbe trattarsi benissimo di un limite della cpu o di qualche
altro componente.
Continuo a ricercare info su questo dissi.
Sarebbe interessante applicare allo Zen delle Delta 80x80... forse qualcuno
l'ha fatto.
@@@ Heat Pipe @@@
Perchè parlo dell'Heat Pipe in concomitanza della convezione?
Perchè sfrutta i moti convettivi che si generano all'interno del tubo.
Come saprete l'Heat Pipe vede la presenza di un fluido (Idrofluorocarburo,
HFC), in
generale usato nei frigoriferi per l'elevata volatitlità e velocità di
scambiare calore,
come mezzo per asportare calore dal corpo caldo, evaporare quasi
istantanemante,
spostarsi verso l'alto ove condensare in forma liquida e ridiscendere lungo
le pareti del
tubo verso la sorgente calda.
Un Heat Pipe viene usato per spostare una buona parte del calore lontano
dalla sorgente,
niente di più.
@@@ Conclusioni sulla Convezione @@@
Ne ho scritte di cose; la Convezione è uno degli aspetti della Termotecnica
più difficili
da trattare e da mettere in pratica.
Spero di non aver detto troppe boiate o di aver fatto errori macroscopici,
nel caso
abbiate pietà di me.
Più in là parlerò della trasmissione per Irraggiamento, altro argomento
complesso e di
difficile implementazione e sfruttamento.
Bon, per chi volesse approfondire o discutere di determinati aspetti son
qui, non sempre
ma ci sono.
Rod

 ma ci sono.
A proposito, qualcuno ha qualche progetto per riuscire a canalizzare il flusso
d'aria da/verso il dissi (mi pare di averne sentito parlare in post MOLTO
precedenti, ma ricordo che ero impegnato con la scuola e non avevo
approfondito)?
--
  /\lessandro |)ogliotti

 raffreddato a liquido, pronto per la grande distribuzione).
Mi pareva di aver trovato lo schema del circuito su hwupgrade. Non era una
gran cosa visto che, da quello che mi ricordo, il radiatore era posto dietro
il display lcd zona non troppo fresca di per sč. Aspettiamo a vedere se
avranno il coraggio di commercializzarlo e i risultati