¿Qué es la refrigeración por aire forzado y por qué es necesaria?

La refrigeración pasiva y la activa son las dos armas principales en el mundo de la gestión térmica, con las que contamos para luchar contra este enemigo. Los medios pasivos son bellos en su sencillez, pero pronto se acercan a los límites. Una vez que la carga térmica se vuelve seria, hay que llamar al campo a la refrigeración por aire forzado: la refrigeración por aire forzado.

Este artículo tratará los aspectos básicos de este eficaz sistema de refrigeración. Hablaremos de lo que es, de la diferencia entre éste y un sistema pasivo, de sus elementos principales (como el climatizador y el ventilador) y de los usos urgentes sin los cuales no podría existir. Sobre todo, nos adentraremos en la forma de elegir la pieza más importante de este sistema de refrigeración-. el ventiladory cómo buscar un socio para que su diseño funcione.

¿Qué es la refrigeración por aire forzado?

Fundamentalmente, la refrigeración forzada por aire (también denominada refrigeración activa por aire o convección forzada) es un método de gestión térmica que implica un sistema mecánico que fuerza a un fluido (en este caso, aire) a fluir sobre una superficie caliente, regulando la temperatura del aire.

Este movimiento forzado tiene un tremendo efecto de transferencia de calor. ¿Cómo? Todo lo que queda es un concepto denominado coeficiente de transferencia de calor por convección (h).

En un sistema pasivo, la circulación de aire se produce únicamente por convección natural, es decir, el aire caliente tiene una densidad menor, por lo que asciende de forma natural y, en el proceso, arrastra al aire frío para que ocupe su lugar. Se trata de un proceso lento, y el coeficiente de transferencia de calor es bajo.

Un sistema de aire forzado no permite que la naturaleza siga su curso. Se trata de un proceso continuo por el que, empujando mecánicamente el aire a alta velocidad, se sustituye la capa de aire caliente, estancada y, por tanto, límite de la superficie, por aire fresco y refrigerado. Este movimiento puede aumentar el coeficiente de transferencia de calor entre 10 y 100 veces más que el de la convección natural y permite que un sistema determinado enfríe un componente del mismo tamaño con mucho más calor.

Diferencias entre la refrigeración por aire forzado y los sistemas de refrigeración pasivos

Una de las decisiones iniciales y más importantes que toma un ingeniero es la relativa a la refrigeración pasiva o activa. La refrigeración pasiva es silenciosa y no requiere alimentación (no necesita energía), y muy fiable (no tiene piezas móviles). Pero sólo es eficaz dentro de un determinado rango de temperatura ambiente y un espacio físico que es enorme.

La refrigeración por aire forzado se utiliza cuando la refrigeración pasiva ya no es capaz de igualar la Potencia de Diseño Térmico (TDP), es decir, la máxima transferencia de calor de la que es capaz un componente (como una CPU o una GPU).

Componentes imprescindibles de un sistema de refrigeración por aire forzado

Aunque la idea no es compleja, un sistema eficaz depende de una serie de elementos que tienen que estar en concierto. Se aplica a un enorme sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado doméstico y a un armario electrónico.

Ventiladores y sopladores

Es lo que se denomina el motor del sistema de aire, la parte operativa.

• Ventiladores axiales: En son los más extendidos, que tienen forma de hélice. Transportan una gran masa de aire (elevado CFM, o pies cúbicos por minuto) lateralmente a la dirección del ventilador. Se adaptan bien a aplicaciones de baja impedancia en las que hay un paso de aire despejado y sin obstáculos.
• Sopladores (ventiladores centrífugos): Recirculan el aire en el centro y lo expulsan a 90 grados. Transportan una menor cantidad de aire pero a alta presión. Son necesarios para tareas de alta impedancia (alta resistencia), como forzar el aire a través de un bastidor muy denso de aspas de servidor o un conducto largo y estrecho.

Para saber más diferencias entre ventiladores axiales y soplantesConsulte nuestro blog anterior.

Conductos y filtros de aire

Se trata de la "vía" o sistema de distribución del aire. El aire tiene una respiración lenta; nunca puede pasar por el camino de menor resistencia.

• Conductos (o deflectores): Se trata de la red de conductos (o conductos de aire) que recorren las paredes en un sistema de climatización. Éstos, en un chasis electrónico, pueden ser deflectores de plástico o metal, cubiertas e incluso las propias paredes de la caja. Tienen la misión de guiar el aire para que vaya exactamente donde se necesita sin ninguna forma de bypass, donde el aire frío pasa sin siquiera entrar en contacto con la parte caliente.
• Filtros de aire: Los filtros de aire de una casa garantizan la calidad del aire interior y serían capaces de eliminar los contaminantes del aire interior. No pueden ser más importantes en un centro de datos o un armario industrial: protegen el hardware. El polvo es un aislante y un conductor eléctrico. Una capa de polvo puede limitar mucho la refrigeración y provocar un cortocircuito. Esta es la razón por la que uno de los principales aspectos del mantenimiento rutinario es la filtración del aire.

La "interfaz": Disipadores de calor (radiadores)

Se trata de un intercambiador de calor que suele denominarse punto de transferencia. Un chip de CPU caliente y pequeño no tiene mucha superficie para disipar su calor al aire. Un bloque pasivo de metal de alta conductividad térmica (en la mayoría de los casos, aluminio o cobre) que contiene numerosas aletas se denomina disipador de calor. Simplemente provoca una amplificación masiva de la superficie, lo que proporciona al aire en movimiento un vasto muelle para aprovechar el calor.

Disipadores de calor en un sistema de aire forzado pueden estar provistos de aletas mucho más densas, empaquetadas muy juntas, ya que el ventilador tiene presión suficiente para empujar el aire a través de los sumideros, algo que la convección natural nunca podría hacer.

¿Por qué lo necesita? Principales ventajas y beneficios

Esto se debe principalmente a que la refrigeración por aire forzado es necesaria en razón de la potencia. El flujo térmico (calor/unidad de superficie, o W/cm2) disminuye de escala a medida que aumentamos el rendimiento de los dispositivos más pequeños.

1. Mejor disipación del calor: Es la principal ventaja. La carga térmica que puede soportar un sistema de aire forzado diseñado es órdenes de magnitud superior a la de una solución solo pasiva; así, pueden utilizarse procesadores, FPGA y fuentes de alimentación potentes.
2. Mayor densidad de potencia y miniaturización: Gracias a la eficiencia del aire forzado, es posible ajustar mucho más los componentes. Esto permite la asombrosa densidad de potencia de los servidores "caja de pizza" de 1U, los pequeños cabezales de radio 5G y los equipos médicos de alta potencia. En su ausencia, la refrigeración pasiva de estos dispositivos requeriría entre 5 y 10 veces más tamaño.
3. Control térmico preciso: Un sistema pasivo está a merced del entorno, pero el sistema activo puede controlarse. El uso de ventiladores inteligentes con control PWM (modulación por ancho de pulsos) puede permitir que un sistema aumente la velocidad del ventilador cuando la carga es alta (como durante el procesamiento de datos) y la reduzca cuando la carga es baja (como por la noche). Esto mejora la eficiencia energética, reduce el ruido y aumenta la vida útil del ventilador.

Dónde encontrará refrigeración por aire forzado

Se trata de un término bifronte que se utiliza para referirse a dos mundos muy diferentes, pero igualmente significativos.

Climatización doméstica

Esta es la aplicación a la que probablemente esté acostumbrado. El sistema de calefacción y refrigeración doméstico más popular es un sistema de aire forzado, comúnmente conocido como aire central. Se basa en una unidad central, normalmente un horno (que puede funcionar con gas natural) o una bomba de calor, junto con un ventilador que impulsa aire caliente o frío a una serie de conductos que van a las distintas habitaciones para poder controlar la temperatura con precisión. Este tipo de sistema es muy diferente de los antiguos sistemas de calefacción radiante.

Servidores y centros de datos

Es el típico caso de gestión térmica con grandes apuestas. Un bastidor de servidor es capaz de consumir más de 50 kW de potencia, es decir, más de 10 casas juntas, en unos pocos metros cuadrados. Este calor debe evacuarse. En este caso, la refrigeración por aire forzado funciona a varios niveles:

• Internamente en el Servidor: Hay varios ventiladores pequeños de alta presión que empujan el aire en una dirección muy concreta entre las CPU y la memoria (de delante hacia atrás).
• Dentro de la estantería: Este flujo de aire puede verse favorecido por los bancos de ventiladores de refrigeración más grandes.
• Qué hay dentro de la Sala: Las unidades CRAC (Computer Room Air Conditioner) son lo que se conoce como los pulmones del centro de datosy hacer circular aire frío por debajo del suelo y sacar el aire caliente del "pasillo caliente".

Telecomunicaciones e infraestructura 5G

Estos equipos (al igual que las unidades de radio y las unidades de banda base) suelen montarse en un armario exterior o en una torre de telefonía móvil a gran altura. Estos armarios están aislados de la intemperie (lluvia, polvo, nieve) pero se tuestan al sol deslumbrante.

En este caso, la refrigeración por aire forzado es un reto de fiabilidad. Los ventiladores tienen que funcionar 24 horas al día durante un periodo de 10 años, y tienen que trabajar a temperaturas elevadas de -40 °C a 85 °C y suministrar una gran potencia de refrigeración a los chips de alta potencia de proceso de 5G.

Nuevas energías y automatización industrial

Imagine el cerebro de una fábrica moderna (PLC), los convertidores de potencia de un huerto solar (inversores) o los controladores del motor de un brazo robótico (VFD). Estos sistemas funcionan las 24 horas del día en condiciones de polvo, humedad y sacudidas. El tiempo de inactividad no es una opción. En este caso, ventiladores de refrigeración de aire forzado también se eligen no sólo por el caudal de aire, sino porque son robustos y tienen una larga vida útil.

Elegir el ventilador adecuado: el corazón de su sistema de refrigeración por aire forzado

Encontrará el mismo tema en todas estas aplicaciones de alta tecnología: el disipador de calor es la interfaz, el chasis es la vía, pero el corazón es el ventilador. Es el componente activo más importante, crítico, y su fallo provoca el fallo de todo el sistema.

Sin embargo, los aficionados son una mercancía en muchos equipos de ingeniería, donde son la elección final de los aficionados que se basan únicamente en los CFM (caudal de aire) y en el precio. Se trata de un grave error. El funcionamiento real de un ventilador es mucho más complejo que un número en una hoja de datos.

La hoja de especificaciones es un diagrama que ilustra el rendimiento máximo de un ventilador durante una prueba realizada con resistencia cero, en un entorno al aire libre. Pero su aplicación es resistente al completo-filtros y disipadores de calor, y PCBs, y las esquinas estrechas hacen "impedancia del sistema". Un ventilador barato con afirmaciones de 100 CFM en realidad sólo puede dar 20 CFM cuando se instala en su chasis, y esto es lo que se sobrecalienta y se rompe.

Sobre esta base, su proveedor de ventiladores debe ser un socio térmico. No se centra en el valor del componente, sino en su conocimiento específico de la aplicación para ayudarle a elegirlo, probarlo y ponerlo en práctica.

Cómo ACDCFAN aporta valor a su aplicación

Aquí es donde ACDCFAN pasa de proveedor a socio térmico. Sabemos que en las telecomunicaciones, la automatización industrial y otras aplicaciones de misión crítica, el fallo no es una posibilidad. Abordamos el problema real que tienen los ingenieros:

• Fiabilidad extrema: Nuestros ventiladores con rodamientos de bolas de alta precisión tienen un MTBF de más de 70.000 horasque garantiza la vida útil a largo plazo que se espera que necesite su sistema de misión crítica.
• Sobrevivir a los elementos: Nuestro avanzado Ventiladores con clasificación IP68 son completamente estancas al polvo y al agua, lo que garantiza el máximo rendimiento en condiciones de gran altitud, humedad o polvo.
• Refrigeración inteligente a demanda: Usted no necesita refrigeración al cien por cien el cien por cien del tiempo. Nuestro PWM de velocidad inteligente digitales permiten a nuestros clientes disponer de refrigeración a la carta, que es silenciosa con cargas bajas, ahorra energía y rinde al máximo cuando es necesario.
• El ventilador adecuado para cada trabajo: No somos un fabricante de talla única. Un rico Asistencia OEM/ODM es compatible con toda nuestra gama de ventiladores de CA, CC y CE. No introducimos su diseño en nuestro ventilador; fabricamos un ventilador según su diseño.

No basta con un catálogo cuando se trata de un problema térmico complicado. Puede proporcionarle una solución térmica inicial en un plazo de 10 días.

Principales consideraciones de diseño para los ingenieros

Cuando desarrolle su estrategia de refrigeración por aire forzado, debe asegurarse de ir más allá del ventilador. Un diseño eficaz es un diseño sistémico.

1. Impedancia del sistema (curva P-Q): Este es el primer concepto que hay que aprender. Sólo depende del diferencial de presión, que puede ser establecido por el ventilador y contra la oposición al movimiento del aire. Cualquier chasis es resistente al flujo de aire (impedancia). Cada ventilador tiene una curva de rendimiento (Presión vs. Flujo de aire o P-Q). El punto en el que tu sistema cruce la curva P-Q de tu ventilador será el rendimiento real del ventilador. Hay que elegir un ventilador con un rendimiento máximo cercano a ese punto concreto.
2. Trayectoria del flujo de aire: ¿Qué le ocurre realmente al aire? Elimine las vías de derivación, utilice deflectores y pantallas. Asegúrese de no tener zonas muertas donde el aire caliente se estanque y recircule.
3. Ruido y vibraciones: El ruido acústico es un grave problema de diseño en un entorno médico o de oficina. Puede controlarse con ventiladores más grandes y de giro más lento, sistemas PWM inteligentes o complejos sistemas de rodamientos.
4. Entrada vs. Salida: ¿Forzas la entrada o la salida de aire de la caja (presión positiva o presión negativa)? Es preferible la presión positiva, ya que es más fácil filtrar la única entrada para asegurarse de que el chasis está limpio.

Conclusión

La refrigeración por aire forzado no es una mera característica; es el facilitador esencial de la tecnología moderna de alto rendimiento. Esta técnica es lo único que se interpondrá entre el máximo rendimiento y un colapso térmico, ya se trate de los centros de datos que potencian nuestra nube o de los sistemas industriales que crean nuestro mundo.

Sin embargo, el elemento más débil es la parte más importante de un sistema. Seleccionar el ventilador adecuado -y el socio apropiado para ayudarle en su integración- no es el último paso de su diseño. Es el corazón del mismo.

Cuando está dispuesto a ir más allá de la hoja de especificaciones y crear una solución térmica sólida, estable e inteligente, nuestro equipo de ingeniería está dispuesto a ayudarle.