Congelatore per dégorgement: parte 6 - Water cooling

watercooling peltierDopo qualche mese sono riuscito a tornare al lavoro; purtroppo in ritardo per iscrivermi alla Mini Maker Faire del 17 maggio... Fatto sta che devo comunque correre perché il momento della sboccatura è ormai prossimo. Ho quindi provveduto a modificare il dissipatore, insufficiente per la temperatura da raggiungere, per tirare fuori il waterblock che sarà il cuore del sistema di water cooling della peltier. In questo modo spero di scendere ancora un po' con i gradi (ammetto che dopo l'ultimo test l'obiettivo è diventato di -10°C), altrimenti dovrò passare ad una peltier di maggiore potenza (e se neanche questa basterà, abbandonerò il progetto).

Particolare waterblock per particolare water cooling

Si comincia dalla preparazione del waterblock, in pratica lo smantellamento del dissipatore; molta attenzione va prestata a non rovinare i tubi di rame, decisamente morbidi e facili da strozzare.

preparazione impianto watercooling

Rimozione delle alette di raffreddamento

preparazione impianto watercooling

Taglio delle heat pipes

Prima di passare al resto, penso sia il caso di fare qualche calcoletto per giustificare la scelta del water cooling; il funzionamento ruota intorno allo scambio convettivo tra la superfice interna del tubo in rame e il fluido in moto (acqua). La legge che regola il fenomeno è l'equazione di Newton:

q = hA \big(T_s - T_ \infty \big)

dove h è il coefficiente  convettivo (il parametro di maggior interesse), A la superficie di scambio, e le temperature rispettivamente della superficie e  indisturbata a monte (della sorgente in pratica). Il moto è interno e forzato, ed il numero di Reynolds vale:

Re=\frac{uD}{\nu}

con u velocità del fluido, D il diametro della tubazione (solo se questa è circolare) e ν la viscosità cinematica del fluido alla temperatura media (supposta in questo caso 20°C). Avendo le due sezioni in rame un diametro di 5mm, in cui suppongo fluire una portata di 1300l/h (quindi 650l/h per tubo) si trova:

u=\frac{Q}{S}=\frac{Q}{\frac{ \pi D^2}{4} }=\frac{0.650/3600}{\frac{\pi 0.005^2}{4}} \simeq 9.2m/s

Re=\frac{9.2 0.005}{10.04 10^{-7}}\simeq 45816

Quindi il regime è turbolento. Il numero di Prandtl per l'acqua a 20°C vale 7, quindi si dovrà utilizzare la correlazione di Dittus - Boelter:

Nu=0.023 Re^0.8 Pr^0.3\simeq 220.8

Con il numero di Nusselt è possibile calcolare il coefficiente h:

h=\frac{k}{D}Nu=\frac{0.603}{0.005}220.8 \simeq 26628

Collegamenti e montaggio

Per collegare il waterblock al resto del sistema (pompa e serbatoio), ho giuntato le 4 heat pipes ad altrettanti tubi da 5mm di diametro. Non trovando un collettore a prezzi abbordabili, ho preferito inserire le due coppie di tubi (2 mandate e 2 ritorni) in 2 tubi da 10mm sigillando i vuoti con colla a caldo. Ho  assicurato ulterioremente la sigillatura con lunghi tratti di guaina termorestingente, di diametro appena superiore a quello dei tubi.

preparazione impianto watercooling

Assemblaggio dei tubi di mandata e ritorno

preparazione impianto watercooling

Sigillatura con guaina termorestringente

 la dama della fontana

Sigillatura delle giunzioni del waterblock

pompa per waterblock

La pompa da 1300L/h (0.36l/s) massimi

Arrivata la pompa, la difficoltà maggiore è stata collegarla al tubo di mandata: infatti tubo e becco della pompa hanno lo stesso dimetro; ho risolto usando uno spezzone di corrugato per impianti (di diametro appena superiore) come manicotto e sigillando con colla a caldo e guaina termorestringente.

test tenuta waterblock

Il test di tenuta delle giunzioni, andato a buon fine

test impianto watercooling

Il waterblock homemade montato e pronto per il primo test

Test e conclusioni sul water cooling

Finalmente il primo test... Questa volta non mi sono preoccupato di misurare l'assorbimento della peltier (in realtà grosso errore), ma ero interessato solo a capire se qualcosa migliora o se è il caso di cambiare peltier...

test impianto watercooling

Banco di test pronto e...

test impianto watercooling

...temperatura finale...

Come è andato il test? Premettendo che non ho usato la salamoia a 0°C per il raffreddamento, ma acqua a 17°C, decisamente bene: infatti il test è cominciato alle 12:24 con temperatura di 21°C e già dopo 3 minuti la temperatura all'interno della camera coibentata è scesa a 8°C! Certamente una prova della bontà del water cooling come soluzione. Purtroppo però la minima temperatura raggiunta è di 2°C, un filo più rispetto ai precedenti test...

Ad influenzare il dato precedente penso siano stati la pasta termica (di qualità pessima e grumosa, avevo terminato quella della Thermaltake) e l'isolamento intorno al waterblock, meno curato e più leggero rispetto ai casi precedenti. Ergo, visti i risultati molto positivi da una parte (velocità) ed incerti dalla'altra (temperatura) ho ordinato una peltier da 230W, giusto per andare sul sicuro!

Stay tuned 😉