7235018 Transfer en CIA de Calor Nos Coolers

8/3/2019 7235018 Transfer en CIA de Calor Nos Coolers

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Transferncia de Calor nos Coolers Introduo:

Um entendimento do mecanismo de troca de calor entre o processador e o cooler essencial no momento da escolha de um sistema de ventilao que atenda as suasnecessidades. Muitos parmetros distintos podem influenciar no processo de resfriamentodo processador, sendo que a maioria deles permanece fora do conhecimento dos usurios dPC em geral.

Esse artigo foi feito com intuito de esclarecer todos os aspectos tcnicos que estoenvolvidos na troca de calor entre o cooler e o processador, sem se estender muito para olado terico do processo, mostrando exemplos reais que fazem parte do nosso dia-a-diaenquanto usurios de um computador, incluindo comparaes entre vrios coolersexistentes atualmente no mercado. Ao final da leitura, esperamos que voc passe a entendeum pouco mais de todo o mecanismo envolvido, dessa forma fazendo uma anlise maisrgida e minuciosa antes de adquirir um cooler que lhe d os resultados esperados.

O artigo completo est dividido em 3 partes. Na primeira parte, temos umaintroduo um pouco mais terica sobre a transferncia de calor por conduo e convecoem superfcies estendidas. Na segunda parte, veremos como o perfil de temperatura emum cooler, dependendo do material do qual feito, e calcularemos parmetros importantesno que diz respeito transferncia de calor de alguns coolers bastante conhecidos aqui noBrasil. Na terceira e ltima parte, analisaremos a potncia dissipada pelo processador e oefeito da resistncia trmica do cooler na temperatura dodie . Calcularemos tambm asresistncias dos coolers VCOM 08B, 19B, 21B e 39B, que no so fornecidas. Antes definalizarmos, faremos uma anlise da resistncia trmica de contato entre odie e a base docooler, e falaremos um pouco sobre os coolers base deheatpipes e a tecnologia por trsdos mesmos.

Teoria: Transferncia de energia trmica (calor)

+ Transferncia de calor por conduo:

Conduo o processo de transferncia de energia atravs de um meio material,sem transporte de matria. A energia trmica se propaga de partcula para partcula do meioO modelo que relaciona a temperatura com o movimento das partculas pode ser usado parexplicar a conduo de calor atravs de um corpo. medida que recebem calor, os tomosou molculas do corpo vibram mais intensamente e a energia cintica dessas partculas transferida sucessivamente de uma partcula outra, e essa transferncia de energia cinticcausa a propagao de calor. Como o calor se propaga de partcula para partcula, corposmais densos, com maior nmero de partculas por unidade de volume, especialmente partculas livres, so bons condutores. Isto explica o por qu dos metais se mostrarem bonscondutores. Pelo mesmo motivo, os lquidos e gases no so bons condutores de calor. Osmateriais em que a conduo trmica praticamente no ocorre so chamados isolantestrmicos, por exemplo, a madeira e o isopor.


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A propriedade do material que indica o quo bom ele para conduzir calor atravsde si mesmo conhecida por condutividade trmica (k). Quanto maior for o valor dek ,melhor o material para transferir calor por conduo. A tabela abaixo relaciona algunsmateriais e seus respectivos valores de condutividade trmica:

Substncia k(W/m.K)Prata* 430Cobre* 400Ouro* 310

Alumnio* 240Ferro* 80

Chumbo* 35Gelo** 2

Concreto** 0,8

Vidro** 0,8Borracha** 0,2Madeira** 0,08gua*** 0,06Ar*** 0,023

* - 25 C.** - Valores mdios aproximados.*** - 20 C.

Comentrio : De acordo com a tabela, podemos perceber que o metal que melhor conduz o calor a prata. Apesar disso, dois fatores principais contribuem para o seu desuso preo e densidade. Alternativas razoveis so encontradas no uso do cobre e do alumnio.Este ltimo, apesar de possuir uma condutividade bem menor que a do cobre, mais leve e por isso mais usado.

Por sua vez, a resistividade trmica, 1/k, indica a resistncia que o material oferece conduo de calor atravs de si. Logo, quanto maior for a resistividade, menor acondutividade, e o material ter caractersticas isolantes. O cobre e o alumnio, ento,apresentam condutividades trmicas grandes e resistividades pequenas, 0,0025 e 0,0042m.K/W, respectivamente; j o ar possui uma condutividade trmica muito baixa, 0,023W/m.K, indicando assim que sua resistividade bem elevada, da ordem de 40 m.K/W.

+ Transferncia de calor por conveco:

A transferncia de calor por conveco a que ocorre no contato entre um fluido

(lquido ou gs) em movimento e uma superfcie, quando os dois se encontram emtemperaturas diferentes. Ela ocorre tanto em funo do movimento molecular aleatrioquanto pelo movimento global do fluido.


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A transferncia de calor por conveco pode ser classificada de acordo com anatureza do escoamento do fluido. Referimo-nos conveco forada quando o movimentdo fluido causado por meios externos, como um ventilador, uma bomba, ou os ventosatmosfricos. No caso da conveco livre (ou natural), o movimento do fluido originado partir de diferenas de densidade causadas por variaes na temperatura do fluido.

A equao que representa a transferncia de calor por conveco conhecida comoa Lei de resfriamento de Newton, que possui a forma:

q = h(Tsup Tfl) ,

ondeq o fluxo de calor por conveco (W/m2),Tsup e Tfl so as temperaturas da

superfcie e do fluido, respectivamente, e a constanteh (W/m2.K) o coeficiente detransferncia de calor por conveco. Ela depende da geometria da superfcie, da naturezado escoamento do fluido e de uma srie de propriedades do fluido.

A tabela a seguir relaciona alguns valores tpicos do coeficiente de transferncia decalor por conveco:

Processo h (W/m.K)Conveco natural (livre) -

Gases 2-25Lquidos 50-1.000

Conveco Forada -

Gases 25-250Lquidos 50-20.000

Conveco com mudana de fase -Ebulio ou condensao 2.500-100.000

Atravs da tabela acima, percebe-se que os lquidos em geral apresentam umamelhor capacidade de conduzir calor por conveco em relao aos gases, especialmente ncaso da conveco forada. O ar atmosfrico apresenta um valor deh em torno de 15W/m2.K em condies de conveco natural, enquanto que sob conveco forada, ocoeficiente convectivo se torna uma funo da velocidade e propriedades do ar e dageometria da superfcie em contato com o mesmo.

Comentrio : Conforme j foi dito no pargrafo anterior, o ar sob conveco foradaapresenta um valor deh maior que na conveco natural e que depende da sua velocidade.Mais adiante, mostraremos a relao que existe entre o coeficiente de convecoh e avelocidade de rotao do ventilador e, conseqentemente, o fluxo de ar criado dentro dodissipador.


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Superfcies estendidas:

O termo superfcies estendidas comumente usado em referncia a um slido, ondeh transferncia de energia por conduo no interior de suas fronteiras e a transferncia deenergia por conveco entre suas fronteiras e a vizinhana.

Embora existam muitas situaes diferentes que envolvem efeitos combinados deconduo/conveco, a aplicao mais freqente compreende a utilizao de uma superfcestendida para, especificamente, aumentar a taxa de transferncia de calor entre um slido um fluido adjacente. Tal superfcie estendida chamada de aleta.

Comentrio: Agora j sabemos o porqu da existncia dos pequenos dentes nosdissipadores. As aletas servem para melhorar a transferncia de calor entre o dissipador e oar que soprado pelo ventilador. Esse objetivo alcanado atravs do aumento dasuperfcie de contato entre os dois. Veremos na seo seguinte que existe uma maneira deavaliar o quanto que a aleta eficiente, ao compararmos a transferncia de calor com e sema mesma.

A condutividade trmica do material da aleta possui um grande efeito sobre a distribuiode temperatura ao longo da aleta e, portanto, apresenta grande influncia sobre o grau demelhora da taxa de transferncia de calor. Idealmente, o material da aleta deve possuir umacondutividade trmica elevada, de modo a minimizar a diferena de temperatura desde asua base at a sua extremidade. Na condio limite, onde a condutividade trmica da aleta infinita, toda ela estaria mesma temperatura de sua base, fornecendo assim o limitemximo possvel de melhora na taxa de transferncia de calor.

Desempenho das aletas

Lembre-se de que aletas so usadas para aumentar a transferncia de calor em umasuperfcie atravs do aumento da rea superficial efetiva para a troca trmica. Contudo, aaleta em si representa uma resistncia trmica condutiva transferncia de calor nasuperfcie original. Por esse motivo, no existe qualquer garantia de que a taxa detransferncia de calor aumente com a introduo de aletas.

Uma investigao sobre o assunto pode ser efetuada atravs da avaliao daefetividade da aleta Ea . A efetividade da aleta definida como a razo entre a taxa detransferncia de calor da aleta e a taxa de transferncia de calor que existiria sem a presenda aleta.

Em qualquer projeto racional, o valor de Ea deve ser o maior possvel e, em geral, ouso de aletas s justificado para os casos onde Ea > 2.

Embora a instalao de aletas altere o coeficiente de transferncia de calor por conveco, este efeito geralmente desprezado. Assim, considerando o coeficiente deconveco na superfcie aletada equivalente quele na base sem aletas, tem-se para a


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aproximao de aleta com comprimento infinito que:

ondek a condutividade trmica do material do qual feita a aleta, P o permetro daaleta,h o coeficiente de transferncia de calor por conveco e Asr. a rea da seo retada aleta (rea que fica exposta ao se cortar a aleta na direo paralela sua espessura).

Comentrio : Atravs dessa equao ns podemos obter a eficincia da aletadiretamente a partir de suas dimenses e da condutividade trmica do qual feita, seconhecermos o coeficiente convectivo do ar,h. Em uma seo mais adiante, faremos umacomparao entre os desempenhos de vrios coolers de diferentes marcas e modelos.

Algumas tendncias importantes podem ser deduzidas a partir desse resultado.Obviamente, a efetividade da aleta melhorada pela seleo de um material com elevadacondutividade trmica. Ela tambm pode ser melhorada pelo aumento da razo entre o permetro da aleta e a rea da seo reta. Por esse motivo, o uso de aletas finas, porm comum pequeno espaamento entre elas, deve ser preferido. Nesse caso, existe a restrio deque o espaamento entre as aletas no deva ser reduzido a um valor no qual o escoamentodo fluido entre as aletas seja gravemente prejudicado, fato que causa diminuio nocoeficiente de transferncia de calor por conveco.

Comentrio : Agora ns j temos um parmetro concreto para usar como critrio deescolha de um cooler: a altura e a espessura das aletas. Quanto mais altas e finas, melhor,contanto que o nmero de aletas no seja exageradamente grande a ponto de atrapalhar ofluxo de ar nos seus interstcios, diminuindo a quantidade de calor transferido para omesmo.

Uma outra medida do desempenho de uma aleta fornecida pela eficincia da aleta Na . O potencial motriz mximo para a conveco de calor dado pela diferena entre astemperaturas de sua base e do fluido. Assim, a taxa mxima de dissipao de energia aquela que existiria caso toda a superfcie da aleta se encontrasse temperatura de sua basEntretanto, uma vez que toda aleta caracterizada por possuir uma resistncia trmicacondutiva, h necessariamente um gradiente de temperatura ao longo da aleta e a condio proposta apenas uma idealizao.

Para uma aleta plana retangular, temos que:

ondek a condutividade trmica do material do qual feita a aleta,h o coeficiente detransferncia de calor por conveco,t a largura da aleta e L o comprimento da aleta.

Comentrio : Essa equao parece ser complicada, mas simples de se resolver. Assimcomo a efetividade, a eficincia da aleta tambm pode ser obtida facilmente, pois todos os parmetros so conhecidos.


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Eficincia global da superfcie:

A eficincia global da superfcie Ng caracteriza o desempenho de um conjunto de

aletas e da superfcie na qual ele est fixado. De um modo geral, a eficincia global da

superfcie definida por:

Ng = 1 (N.Aa/At).(1 Na) ,

onde N o nmero de aletas, Aa a rea superficial de uma aleta, At a rea total de

troca de calor (incluindo Aa) e Na a eficincia individual de cada aleta.

Comentrio : A eficincia global da superfcie pode nos dar uma idia da eficincia dodissipador como um todo. Lembre-se de que a qualidade do fluxo de ar est embutida no parmetroh que est implcito na equao acima, mas que entra no clculo da eficinciaindividual de uma aleta apenas.

Transferncia de Calor nos Coolers Parte 2/3

(Clique aquipara ler aParte 1 )

Da teoria prtica:

Passada a teoria, hora de utiliz-la na prtica. Vamos entender agora como funciona atroca de calor entre o processador e o cooler. Consideraremos que o material trmico decontato utilizado tem uma eficincia infinita e que a resistncia de contato entre o materialo die e a base do dissipador nula.

Apesar de, aqui, estarmos considerando a famosa "pasta trmica" como infinitamenteeficiente, isto no acontece na prtica. Cada pasta trmica comercial tem a sua prpriacondutividade trmica, conforme mostrado na tabela a seguir:

Material k(W/m.K)

Artic Silver III 9
http://www.gamesbrasil.com.br/artigos.php?numero=28http://www.gamesbrasil.com.br/artigos.php?numero=28


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Artic Silver II 8CoolerMaster Premium 6,8CoolerMaster High Perf 4,18

Artic Alumina 4,15Ar 0,023

Observando a tabela, comparando com o ar, vemos o porqu do uso de material deinterface trmica ser to recomendado (e relevante). Posto isto, analisemos agora como ocalor transferido do processador para o meio circundante:

1. Inicialmente, o calor transferido do die do processador para a base dodissipador e em seguida para as aletas, por conduo;

2. O ar frio empurrado pelo ventilador em direo ao interior do dissipador;

3. Em seguida, as aletas quentes trocam calor com o ar empurrado peloventilador, por conveco. O valor de h para o ar vai depender, nesse caso, principalmente da velocidade de rotao do ventilador. Lembre-se de que atemperatura no influencia no coeficiente h, apenas na quantidade de calor trocado;

4. O ar quente empurrado para fora do dissipador.


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Para mostrar como o comportamento trmico do sistema cooler-processador,utilizaremos, como exemplo, um AMD Athlon XP 2200+ Tbred-B com o cooler BOX, com

as temperaturas monitoradas durante o uso normal no desktop do Windows XP.Conforme o programa Motherboard Monitor 5, as temperaturas medidas foram: Tdie = 5

C; Tbase = 46 C; e Tgabinete = 33 C. Consideraremos a temperatura do ar que ventilado como sendo igual temperatura mdia interna do gabinete.

O perfil de temperatura do sistema mostrado no grfico a seguir. O eixo Y representa atemperatura em Celsius, e o eixo X representa a posio relativa no cooler, em milmetros,em relao base do dissipador. So mostradas 3 curvas diferentes, correspondendo ao perfil de temperatura que existiria caso o dissipador fosse feito unicamente do materialindicado (Cobre, Alumnio ou Ao Inoxidvel).


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Nesse grfico, para saber a temperatura em uma determinada posio do dissipador, traceuma retaparalela ao eixo y , na posio desejada, at cruzar na curva do material escolhido.Ento, no ponto onde a reta cruzar com a curva, trace outra reta,paralela ao eixo x , e aocortar o eixo y, voc ter a temperatura naquela posio do cooler, para o material que vocescolheu.

Esse grfico s valido para as aletas laterais do dissipador, j que aqui a distribuio detemperaturas no exatamente uniforme, conforme pode ser visto na figura: Na parte dodissipador que fica embaixo da regio central do ventilador, quase no h fluxo de ar e asuperfcie fica mais quente que o restante.

Fazendo uma anlise do trecho das aletas, percebemos que o cobre apresenta umadistribuio de temperatura mais prxima da ideal (lembre-se, uma aleta ideal aquelaonde a temperatura em toda a sua extenso igual da sua base). Isso acontece porque, dotrs materiais analisados, ele o que tem a maior condutividade trmica (k). Note tambmque o alumnio no deixa muito a desejar em relao ao cobre. por isso que mais


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vantajoso do ponto de vista de fabricao produzir dissipadores de alumnio, e entoadicionar ou no uma base de cobre, do que utilizar cobre em toda a sua extenso, o queelevaria bastante o preo do produto e aumentaria o peso total do cooler. Apesar disso,existem coolers feitos totalmente em cobre, mas esses com certeza no so os mais populares. Eles so mais utilizados por aqueles que necessitam de uma refrigerao mais

agressiva, embora no to agressiva quanto s oferecidas pelos watercoolers e coolers base de heatpipes.Existe um programa muito interessante para a anlise de perfis de temperaturas em

elementos finitos, tanto em regime estacionrio (nada varia com o tempo) quanto emregime transiente (onde as temperaturas variam com o tempo). OFEHT ( Finite Element

Heat Transfer ), como chamado, pode ser usado para calcular o perfil de temperatura nodissipador para quaisquer condies possveis e imaginveis. Na figura abaixo, vemos umexemplo de um dissipador resfriando um processador em funcionamento e o seu perfil detemperatura. Na figura seguinte, vemos setas representando o fluxo de calor dentro dodissipador. Uma figura bem interessante, por sinal.


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Relao entre o coeficiente convectivo h, a velocidade de rotao do ventilador e ofluxo de ar dentro do dissipador:

J foi dito anteriormente que o coeficiente convectivo do ar depende da velocidade e propriedades do ar e da geometria da superfcie em contato com o mesmo. Equaes que

relacionam todos esses parmetros podem ser encontradas na literatura, mas estasgeralmente so muito complexas e fogem do escopo desse artigo.Para o caso especial dofluido ser o ar , podemos simplificar as equaes e, aps adapt-las geometria retangular do dissipador, chegamos a uma relao linear entre o coeficiente convectivo e a velocidadedo ar. Mais simples impossvel:

h = 6,47v ,

onde a velocidade deve ser dada em metros por segundo, obrigatoriamente, para obtermoo valor deh em Watts por metro quadrado por Kelvin (W/m.K). Abrindo um parntesis para a explicao da unidade deh: se ns temos um coeficienteh igual a 1 W/m.K, issosignifica que possvel dissipar, no mximo, 1 Watt por metro quadrado para cadadiferena de temperatura de 1 K (equivalente a 1 C) entre a superfcie e o fluido.

O problema agora : como calcular a velocidade do ar que entra no dissipador, em metro por segundo?

Felizmente, essa velocidade nos fornecida, indiretamente, pelo fabricante do cooler.Vocs j devem ter notado que nas especificaes tcnicas de cada modelo, existe um parmetro chamado "air flow ", ou fluxo de ar, que dado em CFM. CFM a abreviao paraCubic Feet per Minute , ou ps cbicos por minuto. Pois bem, podemos converter essaunidade para metros cbicos por segundo, e se tivermos a rea transversal livre dodissipador (rea na qual o ar pode fluir), que tambm fornecida indiretamente pelofabricante, encontraremos a velocidade em metros por segundo:

v = Q/A ,

ondev a velocidade em metros por segundo (m/s),Q o fluxo em metros cbicos por segundo (m/s) e A a rea transversal livre, em metros quadrados (m).

Dessa forma, temos mais um parmetro importante que pode ser usado como critrio deescolha na hora da compra do cooler: a capacidade do ventilador de imprimir velocidade aar. Essa capacidade pode ser indiretamente analisada verificando-se o fluxo de ar nodissipador, dado que fornecido pelo fabricante. Quanto maior, melhor, sem esquecermosde que "o espaamento entre as aletas no deve ser pequeno a ponto de que o escoamentodo ar entre as mesmas seja gravemente prejudicado, fato que causa diminuio nocoeficiente de transferncia de calor por conveco ". Claro que, para o "quanto maior,melhor", existe o limite auditivo do usurio. Infelizmente, coolers com ventoinhas quegiram mais rpido costumam ser os mais barulhentos.

Agora, de posse da velocidade, podemos calcular o valor do coeficiente convectivo do ar


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para qualquer cooler que desejarmos. Para efeitos didticos, abaixo mostrado oh emfuno dev e deQ (em CFM), para um cooler com rea transversal do dissipador igual a0,00574 m (80 mm x 72 mm):

Finalmente temos uma boa base para comearmos a fazer comparaes tcnicas entrediferentes coolers. Nesse artigo, iremos utilizar as especificaes tcnicas dos seguintescoolers para o Socket A, para calcularmos os seus parmetros trmicos:

+ Cooler Master DP5-6J31C+ Cooler Master ACC-L72 Vortex Dream 7+ Cooler Master ASB-V73 Aero 7++ Cooler Master CP5-8J71F Aero 7 Lite+ Thermaltake Silent Boost+ Thermaltake Volcano 7++ VCOM S462-08B715+ VCOM S462-19B825+ VCOM S462-21B825
http://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=CP5-6J31C&other_title=http://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=ACC-L72&other_title=AChttp://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=ASB-V73&other_title=AShttp://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=CP5-8J71F&other_title=http://www.thermaltake.com/coolers/volcano/rs/a1889a.htmhttp://www.thermaltake.com.br/index.php?meio=clipping_ler&id=24http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=S462-08B715http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=s46219b825http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=s46221b825http://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=CP5-6J31C&other_title=http://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=ACC-L72&other_title=AChttp://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=ASB-V73&other_title=AShttp://www.coolermaster.com/index.php?LT=english&Language_s=2&url_place=product&p_serial=CP5-8J71F&other_title=http://www.thermaltake.com/coolers/volcano/rs/a1889a.htmhttp://www.thermaltake.com.br/index.php?meio=clipping_ler&id=24http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=S462-08B715http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=s46219b825http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=s46221b825


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+ VCOM S462-39B825

Antes de comearmos a maratona de clculos, devemos fazer as seguintes consideraes

1. Condies de regime estacionrio (nada varia com o tempo).2. Conduo de calor nas aletas unidimensional.3. Propriedades constantes.4. Troca de calor por radiao desprezvel.5. Coeficiente convectivo de troca de calor na superfcie com ou sem aletas

uniforme.6. Resistncia trmica de contato entre o processador, o material de interface e

a base do dissipador desprezvel.

Na tabela abaixo sumarizamos todos os parmetros relevantes dos coolers. A maioriadeles fornecida pelos fabricantes, enquanto que alguns, como as medidas das aletas, somuito difceis de se obter e, portanto, so apenas aproximaes.
http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=s462-39b825http://www.verycom.com.br/produtos/proddetail.aspx?id=s462-39b825


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A partir dos dados da rea til para o fluxo de ar e do fluxo de ar em CFM, podemoscalcular o coeficiente de convecoh para cada cooler em particular:

De acordo com os nossos clculos, o Volcano 7+ o que possui o maior valor de h. Oscoolers da VCOM, porm, no ficam muito atrs. Seus ventiladores giram a 3000 RPM,metade da velocidade do Volcano 7+, mas como a rea til para o fluxo de ar maior,

aumenta a relao h/RPM tornando-os mais eficientes.Agora, com os valores deh para todos os coolers, podemos finalmente calcular asefetividades e rendimentos das aletas, bem como os rendimentos globais das superfcies dodissipadores dos coolers:


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O Vortex Dream 7, cooler ainda no lanado no mercado (at o fechamento do artigo) pela CoolerMaster, o que tem as aletas mais eficientes. O Aero 7+ disparado o que temas aletas mais efetivas, que conseguem transferir 206 vezes mais calor do que seriatransferido sem a presena das mesmas. Veja que a eficincia global praticamente amesma da aleta individual, pois a rea adicional para a transferncia por conduo entre as

bases das aletas se torna desprezvel tamanha a superfcie de contato das mesmas com oar que soprado pelo ventilador. interessante ver a diferena entre a efetividade e os rendimentos dos dois modelos Aero

7. Ela causada nica e exclusivamente pela diferena na condutividade trmica entre oCobre (Aero 7+) e o Alumnio (Aero 7 Lite).

Transferncia de Calor nos Coolers Parte 3/3

(Recomendamos ler, antes desta, a Parte 1 e aParte 2 )

Potncia dissipada pelo processador / Resistncia trmica do cooler:

A taxa de transferncia de calor por conveco das aletas dada por

Qa = h At [Ng] . (Tbase Tar),

onde: Ng = [1- (NAf /At)(1-na)] .

A taxa de transferncia de calor por conduo na base do dissipador

Qb = kAb/L (Tdie Tbase).

Para encontrarmos a equao que representa o calor total trocado entre o processador e oar ambiente atravs do cooler, basta somar as duas equaes. Aps um rearranjo, obtemos:

QT = Qa + Qb = {1/[(L/k.AB)+(1/h.At.Ng)]}(Tdie Tar)

A nica coisa boa nessa equao (:P) que no necessrio conhecer a temperatura na base do dissipador para calcular o calor trocado. S precisamos da temperatura do die do processador, que monitorada pelas placas mes mais recentes, e da temperatura do ar
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soprado pelo ventilador, que tambm conhecida.Um dado muito importante que engloba todos os parmetros que calculamos at agora

resistncia trmica total do cooler (Thermal Resistance ). Esse dado, na maioria das vezes,tambm fornecido pelo fabricante. Ele dado em graus Celsius por Watt, -C/W - erepresenta todos aqueles termos antes da diferena de temperaturas da equao anterior.

Logo, se a resistncia trmica total do cooler for conhecida, podemos substitu-la esimplificar enormemente a equao acima:

QT = (1/RT).(Tdie Tar) ,

onde RT a resistncia trmica total do cooler, em C/W. Se a resistncia no for fornecida, podemos calcul-la atravs da seguinte equao:

RT = (L/kAB)+(1/hAt.Ng)

Se o cooler possuir base de cobre e o restante de alumnio, deve-se adicionar mais uma

resistncia associada base:

RT = (Lc/Kc.Abc)+(L/k.AB)+(1/h.At.Ng) ,

onde Lc, Kc e Abc so a altura, a condutividade e a rea da seo reta da base de cobre.

Veja que a quantidade de calor trocado aumenta se aumentarmos os coeficientes Kc, k e h.Por isso que a adio da base de cobre melhora o fluxo de calor, pois como o seu Kc grande, ento acaba por compensar o aumento da altura da base, em relao ao cooler apenas com o dissipador de alumnio.

Voltando equao do calor transferido, temos que, de acordo com o princpio daconservao da energia, todo o calor dissipado pelo cooler deve ser igual ao que gerado pelo processador. Logo, podemos substituir QT pela potncia mxima dissipada pelo processador e calcular qual a temperatura do die que cada cooler seria capaz de manter na pior das situaes, ou seja, com o processador em " full-load " e a temperatura do ar igual a40 C.

Vamos exemplificar utilizando como processador um AMD Athlon XP 3200+. A potncimxima que ele pode dissipar igual a 76,8 W. Ento, se tivermos a resistncia trmicatotal do cooler e a temperatura do ar (que deixaremos em 40 C), podemos calcular qual atemperatura mxima a que estaria o processador se determinado cooler estivesse sendousado. A tabela a seguir relaciona as resistncias trmicas dos coolers analisados bem coma temperatura do die do Athlon XP 3200+ nas condies que descrevemos acima:


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Veja que o CP5-6J31C no poderia ser usado nessas condies, pois a temperatura do dieseria de 88,38 C, que superior temperatura mxima de operao recomendada pelaAMD, 85 C.

Utilizando a equao paraQT , podemos construir um grfico da temperatura do dieversus potncia dissipada pelo processador, com a temperatura do ar igual a 40C. O grficfica valendo, ento, para todos os processadores que dissipem potncia no intervalomostrado:


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Clculo da resistncia trmica para os coolers VCOM


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O parecer final fica por conta de voc, leitor.

Obs.: Veja que o VCom 08B tambm no poderia ser usado com o Athlon XP 3200+. Attulo de informao, de acordo com o site, coerentemente ele indicado para o Athlon XP3000+ no mximo. Ocorre o mesmo com o CP5-6J31C, que recomendado para uso comAthlons XP at o modelo 2400+.

+ Apndice 1: Resistncia Trmica de ContatoNo incio do artigo, dissemos que consideraramos a resistncia de contato entre o die e a

base do processador igual a 0 (indiretamente, por dizer que a condutividade do material deinterface era infinita). Na verdade isso foi apenas uma simplificao para os clculos, pois maioria dos dados confiveis nessa rea experimental, que no podem ser obtidos

simplesmente por uma correlao ou um clculo terico. Vejamos o que diz Frank. P.Incropera, uma das maiores autoridades em todo o mundo quando o assunto Termodinmica, a respeito da resistncia de contato:

" Embora desprezvel at agora, importante reconhecer que, em sistemas compostos, aqueda de temperatura atravs da interface entre os componentes pode ser considervel.

Essa mudana de temperatura atribuda ao que conhecido como resistncia trmica decontato.


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A existncia de uma resistncia de contato finita devido, principalmente, aos efeitos da

rugosidade da superfcie. Os pontos de contato so intercalados com espaamentos que so, na maioria dos casos, preenchidos com ar. Portanto, a transferncia de calor devida conduo atravs da rea de contato real e conduo atravs dos espaamentos. A

rea de contato tipicamente pequena, e especialmente para superfcies rugosas, a principal contribuio resistncia devida aos espaamentos.

Para os slidos cuja condutividade trmica maior do que a do fluido interfacial, aresistncia de contato pode ser reduzida atravs do aumento da rea de contato dos

pontos. Tal aumento pode ser efetuado aumentando-se a presso da junta e/oureduzindo-se a rugosidade das superfcies em contato (polimento). A resistncia decontato tambm pode ser reduzida pela escolha de um fluido interfacial de altacondutividade trmica. Nesse sentido, a ausncia de um fluido nos espaamentos (vcuo)elimina a conduo atravs dos espaamentos, aumentando conseqentemente aresistncia de contato.

Muitas aplicaes envolvem o contato entre diferentes slidos e/ou uma ampla gama de possveis materiais de preenchimento. Qualquer substncia de preenchimento cujacondutividade trmica seja maior do que a do ar e que ocupa o espaamento entre assuperfcies de contato ir diminuir a resistncia de contato. Pastas trmicas base de

silcio/prata/cobre so atrativas, pois preenchem completamente os espaamentos com ummaterial cuja condutividade trmica supera em at 50 vezes a do ar ".

Apesar de gerar controvrsias, o polimento da base do dissipador melhora sim atransferncia de calor, pelos motivos explicados acima. A nica coisa que no pode ser feita, no nosso caso, aumentar a presso do dissipador em cima do processador, pois omesmo relativamente frgil nesse aspecto.

+ Apndice 2: Coolers base de HeatpipesA tecnologia dos heatpipes foi inicialmente implementada pela CoolerMaster, nos

dissipadores Fujiyama e HHC-001 , e logo mostrou o seu valor, aparecendo em outrosdissipadores, como o caso dos da Zalman.

O conceito extremamente bsico, e teoricamente bastante funcional. Temos um tubo ocem forma de U que liga a base do dissipador parte de cima deste. Dentro deste tubo,existe um lquido que evapora a uma temperatura entre 35 e 45 C. Como sabido, a partemais baixa do dissipador mais quente, pois est mais prxima da fonte de calor (CPU),enquanto a parte mais fria a parte de cima onde est a fonte de resfriamento (o ar frio).Assim sendo, quando o dissipador comea a aquecer, este lquido evapora, e sobe para azona do U mais acima, condensando a e voltando para baixo. Basicamente existe um ciclode evaporao/condensao que serve de transporte ao calor, libertando assim a base dodissipador de parte do calor.

Nesse momento, devem estar voltando sua cabea os valores do coeficiente convectivo para fluidos com mudana de fase (vistos no incio do artigo). Pois , esse "hzinho "tremendamente alto que garante a eficincia dos coolers base de heatpipes. Com talmecanismo, a escolha de se colocar uma ventoinha para melhorar a transferncia nas aleta


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passa a ser um mero opcional.

O Silent Tower da Thermaltake um cooler base de heatpipes.

Concluso:

O que podemos dizer aps aprender tanto sobre a troca de calor entre o processador e ocooler? Todos os clculos realizados, que no tinham perspectiva alguma de dar certo,

acabaram resultando em nmeros coerentes e condizentes com a realidade. Nada como um boa base terica para servir como alicerce para a aplicao dos conhecimentos no mundoreal.

Conforme dissemos no incio do artigo, esperamos que agora voc entenda um poucomais de todo o mecanismo que envolve o resfriamento do processador, dessa forma fazenduma anlise mais rgida e minuciosa antes de adquirir um cooler que lhe d os resultadosesperados.

Uma planilha do MS Excel com todos os clculos realizados nesse artigo est disponvel para o pblico. Basta enviar um e-mail [email protected] , demonstrando o interesseem ver em mais detalhes como os clculos foram feitos, que terei o maior prazer em enviar

o arquivo.
mailto:[email protected]:[email protected]

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7235018 Transfer en CIA de Calor Nos Coolers