Sinusspass
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Der Durchfluss und seine Bedeutung
Um den Durchfluss ranken sich unzählige Mythen. Manch einer sagt, 60l/h reichen und mehr bringt nichts, dem anderen kann es nicht genug sein, dann ist der Durchfluss völlig egal... Eben viele Mythen. Heute versuche ich mal, Licht ins Dunkel zu bringen, indem ich die ganze Sache ganz bei den Grundlagen angehe und von da aus erkläre, was man bei der Wasserkühlung so hat.
Inhaltsverzeichnis
1. Die Grundlagen
Zuerst mal müssen wir uns zu Gemüte führen, wie denn eine Wakü überhaupt funktioniert. Im Grunde ganz einfach. Wasser wird von einer Pumpe durch den Kreislauf befördert. Im Kühler nimmt es die Wärme der zu kühlenden Hardware auf und im Radiator gibt es sie wieder ab. An sich war es das auch schon. Jetzt kann man das aber etwas genauer aufdröseln und mit Physik ansetzen. Dazu benötigen wir 2 Aspekte.- Die spezifische Wärmekapazität
- Wärmeübertragung
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1.1. Spezifische Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität ist eine Eigenschaft des Kühlmittels. Als Beispiel, wenn ich rechne, nehme ich einfaches Wasser zur Hand, weil es in Reinform ein häufiges Kühlmittel ist (daher auch der Name Wasserkühlung) und oft eben nur mit ein paar Zusätzen chemisch angepasst wird, um Korrosion oder andere Probleme vorzubeugen.Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist 4,18 J/(g*K). Die Zahl selbst ignorieren wir erstmal und schauen stattdessen auf die Einheit. Wir haben hier J für Joule, g für Gramm und K für Kelvin. Also bisschen Einheitenerklärung.
Joule ist eine Einheit für Energie. Jeder kennt von Lebensmittelpackungen die Angaben zu kcal. Daneben steht auch immer eine Angabe in kJ, also Kilojoule. Mehr gibts dazu auch nicht zu sagen und Joule ist an sich nur die SI-Basiseinheit zur Energie.
Dann haben wir Gramm. Einfache Massenangabe.
Und zuletzt Kelvin. Manch einer kennt es aus der Schule, wer anders vielleicht von der Arbeit. Es ist eine Temperaturangabe genau wie °C. Der Unterschied ist nur der Nullpunkt. Während der bei °C beim Gefrierpunkt von Wasser liegt, ist er bei Kelvin beim absoluten physikalischen Nullpunkt. Kälter gehts nicht. Es gibt keine Minusgrade bei Kelvin. Sonst aber ist die Skalierung völlig gleich, eine Temperaturerhöhung um 1°C bedeutet eine Erhöhung um 1K.
Nachdem wir nun die Größen kennengelernt haben, kommen wir zum Zusammenhang. Einfach erklärt bedeutet es, dass man 4,18J braucht, um 1g Wasser um 1K zu erwärmen. So entsteht dieser Bruchstrich.
In der Praxis kann man daraus dann eine andere Gleichung bauen. Wir nehmen einfach mal c für die Wärmekapazität als Einheit. Wenn wir irgendwas verändern wollen, dann müssen wir Werte hinzufügen. Was können wir ändern? Alles. Die Energiemenge, die Wassermenge und die Temperatur. Fügen wir das also der Gleichung hinzu und wir kommen auf P=c*m* ΔT. P ist eine Leistungsangabe, m eine Masse und ΔT eine Temperaturdifferenz.
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1.2. Wärmeübertragung
Jetzt kommt die Wärme natürlich nicht einfach so vom Kühler zum Wasser. Grundsätzlich strömt Wärme immer von warm nach kalt. Sie sucht also ein Gleichgewicht. Das heißt so viel, dass die Wärme von der Wärmequelle, beispielsweise der CPU, durch den Heatspreader, die Wärmeleitpaste und den Kühlerboden ins Wasser fließt. Wie leicht das geht, hängt vom Wärmewiderstand ab. Dazu habe ich einen eigenen Artikel geschrieben. Nun ist man an der Oberfläche des Kühlers angekommen. Die Wärme soll ins Wasser. Auch da gibt es Gesetze und Zusammenhänge, die sich Kühlerhersteller zu Nutze machen. Wichtig sind die Oberfläche und entsprechende Strömungseffekte.Grundsätzlich kann alles als Wasserkühler arbeiten, was irgendwie Wärme vom Material ans Wasser abgibt. Die ersten und einfachsten Wasserkühler auf dem Markt waren praktisch einfache Metallplatten mit einem Gehäuse, welches dafür sorgt, dass das Wasser über die Platte strömt. Kühler in dieser Form gibt es auch heute noch, das beste Beispiel sind Spannungswandlerkühler. Diese Bauweise funktioniert grundsätzlich auch. Aber gehen wir mal ein bisschen tiefer in die Physik dahinter. Die Metallplatte hat den schönen Effekt, dass sie einen Kontakt zum Kühlmedium, sprich unserem Wasser, besitzt. Wärme strömt immer von warm nach kalt, um es leicht zu halten, strömt also die Wärme der CPU oder was auch immer man gerade mit Wasser kühlt durch den Kühler und wird dort ans Wasser abgegeben. Umso größer die Oberfläche, auf der dies geschieht, umso besser. Das ist ein Grund, warum moderne Kühler sehr viele feine Kühlfinnen haben. Während ein einfacher Kühlerboden vielleicht 5x5cm Oberfläche besitzt, besitzen diese Finnen alle zusammen eine bedeutend größere Oberfläche, die je nach Kühler gerne 10 Mal so groß sein kann.
Jetzt kommen Strömungseffekte ins Spiel, die den Wärmeübergang noch verbesseren.
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1.3. Laminare vs. turbulente Strömung
Auf den ersten Blick fließt Wasser einfach. Das bleibt aber auch nur auf den ersten Blick so. Tatsächlich gibt es bei fließendem Wasser einige Unterschiede. Besonders wichtig für die Wakü sind hier zwei Formen der Strömung: Laminare und turbulente Strömung.
Das ist auf dieser Grafik zu sehen (Quelle).
Bei der laminaren Strömung bewegen sich die Wasserteilchen alle in eine Richtung. Sie folgen der Strömung und fließen geradeaus. Bei der turbulenten Strömung hingegen ändert sich dieses Verhalten. Ja, im Großen und Ganzen strömt das Wasser noch immer in die gleiche Richtung, aber hier tut es das sehr viel chaotischer. Es entstehen kleine Strudel und Verwirbelungen im Wasser. Dementsprechend ist der Strömungswiderstand auch sehr viel höher, weil es so zu größeren Reibungseffekten kommt.
In der Wasserkühlung nutzt man nun beides aus. Laminare Strömungen sind ideal zum Wassertransport. Das Wasser strömt ohne großen Widerstand in eine Richtung, belastet die Pumpe damit nur gering und gut ist. In Schläuchen und Rohren ist das die üblicherweise vorherrschende Strömungsart und das ist gut so. Turbulente Strömungen hätten hier nur Nachteile.
Anders sieht es dann im Kühler aus. Ich werde jetzt nicht zu sehr auf die Details eingehen, welche Tricks ein moderner Feinstruktur-Kühler nutzt, nur auf die Grundlagen. Wichtig sind hier Oberflächeneffekte. Direkt an der Oberfläche des Kühlers bewegt sich kein Wasser. Das hat verschiedene Gründe, wichtig ist, dass es so ist und sich dort eine Grenzschicht bildet. Außerhalb dieser Grenzschicht strömt das Wasser ganz normal laminar, in ihr nicht. Hat man einen einfachen Plattenkühler, hat man ein Problem. Der Kühler gibt seine Wärme an das Wasser ab, genauer gesagt an diese Grenzschicht. Von da aus muss die Wärme erst ganz normal durch das Wasser strömen, um dann in den Bereich des fließenden Wassers zu kommen und zu den Radiatoren transportiert zu werden. Das ist insofern ein Nachteil, dass Wasser selbst zwar ein ganz ordentlicher Wärmeträger ist, sprich viel Wärme aufnehmen kann, aber gleichzeitig verglichen mit den üblichen Materialien eines Kühlers ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Wärme muss also erst durch diese Grenzschicht hindurch, bevor sie weg kann.
Da kommt nun die turbulente Strömung ins Spiel. Erhöht man die Fließgeschwindigkeit des Wassers, so reibt das fließende Wasser an der Grenzschicht. Es kommt zu genau den Verwirbelungen und Strudeln, die man in einer turbulenten Strömung hat. Damit wird die Grenzschicht dicker, weil die Verwirbelungen in den Strom des fließenden Wassers eingreifen. Das ist aber gar kein Problem. Wichtig für die Wärmeübertragung ist, dass die Dicke der Unterschicht, in welcher sich das Wasser nicht bewegt, durch diese Turbulenzen teils beträchtlich vermindert wird. So muss die Wärme vom Kühler aus eine sehr viel dünnere Schicht Wasser überwinden, bevor sie durch bewegtes Wasser aufgenommen und weitertransportiert wird. Dadurch erreicht die Wärme die eigentliche Wasserströmung sehr viel leichter. Die turbulente Grenzschicht bewegt sich selbst natürlich auch und strömt in Flussrichtung des Wassers. Somit ist es die Zielsetzung eines modernen Kühlers, im Bereich der Kühlfinnen eine möglichst turbulente Strömung zu erzeugen, um die Wärme effektiv aufzunehmen und im ganzen Wasserstrom zu verteilen.
In dieser Grafik wird das auch nochmal veranschaulicht (Quelle). Ich bitte darum, die Beschriftung vorerst zu ignorieren.
Während sich im Bereich laminarer Strömung (grün) eine Grenzschicht bildet, welche sehr unbewegt bleibt und durch die die Wärme hindurch muss, wird diese Wärme außerdem direkt nur an das Wasser abgegeben, welches direkten Kontakt zu dieser Grenzschicht hat.
Im Bereich turbulenter Strömung (rot) ist die Grenzschicht sehr viel dicker und füllt gar die ganze Grafik aus, die Unterschicht jedoch ist bedeutend dünner. Außerdem wird die dort aufgenommene Wärme auf das ganze fließende Wasser verteilt.
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2. Der Durchfluss in der Praxis
Nun kommen wir zur Praxis. Nachdem die Grundlagen geklärt wurden, wie verhält es sich nun wirklich? Ich werde dabei zuerst immer auf die Theorie eingehen und danach diese mit Messungen darstellen. Ich möchte dazu anmerken, dass ich das alles mit handelsüblicher Endkunden-Hardware und Sensorik gemacht habe und nicht über professionelles Equipment verfüge. Absolut würde ich meine Werte niemals als sicher hinstellen, aber das grundlegende Verhalten lässt sich doch sehr leicht und genau erkennen. Versprochen.
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2.1. Ein Haufen ΔT
Zuerst muss ich natürlich Begriffe klären und grob erklären, was man da überhaupt vor sich hat. Eben ein Haufen Delta T.
Basis des ganzen ist die Raumtemperatur. Das ist unsere Bemessungsgröße und in einer Wasserkühlung ohne Kompressor oder andere Hilfsmittel, um die Temperatur bei Bedarf auch noch weit unter den Gefrierpunkt zu setzen die niedrigste Temperatur, die man hat. Absolut alles in der Wasserkühlung ist wärmer als die Raumtemperatur. Das ist so, weil das Kühlwasser mit Raumluft gekühlt wird und über Radiatoren natürlich nicht unter Raumtemperatur gekühlt werden kann. Natürlich gibt es dort Unterschiede, bedenkt man, dass die Luft die Abwärme der Radiatoren aufnimmt. Diese Unterschiede sind oft schon mit der bloßen Hand zu erfühlen. Die Luft, die aus einem Radiator bzw. aus dem Gehäuse heraus geblasen wird, ist oftmals deutlich wärmer als die angesaugte Frischluft. Dennoch ist diese Luft immer kühler als das Wasser.
Da haben wir auch schon die nächste Temperatur, die Wassertemperatur. Das Wasser ist der Wärmeträger der Wasserkühlung. Das Wasser nimmt die Wärme der Komponenten auf und gibt sie bei den Radiatoren wieder ab, wo sie schlussendlich an die Luft abgegeben wird. Dementsprechend variiert diese Temperatur über den Kreislauf verteilt. Nach einem Kühler ist sie immer höher als vor einem Kühler, weil Wärme aufgenommen wurde. Nach einem Radiator ist sie immer niedriger als vor einem Radiator, weil Wärme abgegeben wurde. Irgendwelche Unterschiede rühren im Zweifel von der eingesetzten Messelektronik her, welche gerne um 0,xK zueinander abweicht und so leicht falsche oder widersprüchliche Werte ausgibt. Davor ist man mit handelsüblichem Consumer-Equipment nicht gefeit.
Als letztes hat man noch die Temperaturen der Hardware, die man über verschiedene Programme auslesen und überwachen kann.
Davon ausgehend hat man nun seine Deltas. So hat man Differenztemperaturen von Hardware zu Wasser, von Wasser zu Luft und schlussendlich auch innerhalb des Kreislaufs. Man kann einfach alles miteinander verrechnen, inwiefern das zielführend ist und wie dieses Verhalten zu interpretieren ist, sei dahingestellt.
Als Messgrundlage dient mir in den folgenden Grafiken immer die Raumtemperatur. Diese kann schwanken. Was jedoch gleich bleibt, sind eben diese Deltas. Ohne Änderung der Betriebsparameter einer Wasserkühlung wird die CPU z.B immer 30K wärmer als die Raumtemperatur sein. Solange die Hardware dabei nicht drosselt oder aus anderen Gründen ihren Verbrauch verändert, ändert sich an diesem Delta nichts. Somit ist es egal, welche absolute Lufttemperatur man hat. Es können 15, 20, 25 oder 30°C sein. Natürlich gibt es temperaturbedingt Änderungen im Verhalten der Hardware. Ich habe versucht, dieses so weit wie möglich auszuklammern und das ist mir auch gelungen.
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2.2. Kreislaufinterne Differenzen
Zuallererst fange ich damit an, dass sich die Wassertemperatur in einem Kreislauf doch nicht groß ändert, wenn man etwas am Durchfluss macht. So wie ich das formuliert habe, sollte klar sein, dass das nicht groß stimmt.
Wie man an der folgenden Grafik erkennen kann, ist es jedoch nicht so.
Das hier ist der Unterschied zwischen der heißesten und der kältesten Stelle über den ganzen Kreislauf verteilt. Überrascht, wie enorm das ist? Ok, ich löse auf, wieso: Die anliegende Leistung beträgt 800W und ist damit weit über dem, was ein normaler Gamingrechner selbst bei maximaler Belastung umsetzen kann.
Ich hab noch eine.
Dieses Mal nur mit halber Last, also 400W und damit durchaus in Bereichen, die normale Gamingrechner mit Wasserkühlung heutzutage erreichen.
Vergleichen wir das mal.
Wir sehen hier 3 Dinge. Ich habe bei den Messreihen nichts verändert. Die Pumpeneinstellung bei den Messpunkten ist immer die gleiche. Der äußerst linke Punkt des blauen Graphen ist mit exakt der gleichen Pumpeneinstellung entstanden wie der äußerst linke Punkt des orangenen Graphen. Kurzum, mit steigender Temperatur steigt auch der Durchfluss.
Das ist allerdings mehr nice to know. Der wichtige Punkt ist, das einzige, was sich in diesem Kreislauf verändert hat, ist die Wärmeenergie. Natürlich hat man Messabweichungen, dennoch kann man sagen, dass die kreislaufinternen Differenzen doch sehr gleichmäßig mit der Leistung skalieren. Dazu habe ich noch eine weitere Grafik.
Diese Werte wurden alle bei gleicher Pumpeneinstellung erfasst. Sicher, durch die temperaturabhängig schwankende Viskosität des Wassers gibt es leichte Abweichungen, dennoch kann man erkennen, dass die kreislaufinternen Temperaturdifferenzen nahezu linear mit der Abwärme skalieren.
Nun, der dritte Punkt für die vorige Grafik kommt erst jetzt. Wir sehen hier ein Verhalten, welches sich noch öfter zeigen wird. Diese antiproportionale Kurvenform ist charakteristisch und wird sich immer wieder finden lassen. Ihr werdet solche Kurven in diesem Artikel noch öfter sehen.
Im Bereich niedrigen Durchflusses tut sich noch viel, aber umso mehr der Durchfluss steigt, umso geringer ist die Änderung durch eine weitere Steigerung. Dennoch, die Kurve kennt nur einen Weg und das ist nach unten.
Die Schlussfolgerung ist also ganz einfach: Mehr Durchfluss reduziert die Temperaturdifferenz im Kreislauf.
Das möchte ich nun noch physikalisch begründen. An sich ist es ganz einfach. Mit einem höheren Durchfluss steigt die Menge an Wasser, welche in einer bestimmten Zeiteinheit einen Teil des Kreislaufs passiert. Dementsprechend verteilt sich die Energie auf mehr Wasser und man hat geringere Temperaturänderungen.
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2.3. Durchflussskalierung eines Radiators
Als nächstes sehen wir uns mal Radiatoren an. Das mache ich deshalb in der Reihenfolge, weil mein Testsystem mehrere Kühler erhielt, aber nur einen großen Radiator (Mora 3 420) und wir noch den ganzen Kreislauf betrachten.
Der Radiator hat im Kreislauf die Aufgabe, die durch die Hardware erzeugte und durch das Wasser aufgenommene Wärme wieder an die Luft abzugeben. Auch dort findet Skalierung über den Durchfluss statt.
Stellen wir diese mal etwas extrem dar...
Die Kurve sieht aber bisschen seltsam aus, dass sie am Ende nochmal so zulegt...
Aber man sieht eindeutig, wie die Wassertemperatur mit steigendem Durchfluss sinkt. Also profitieren Radiatoren wirklich extrem vom Durchfluss, immerhin ist die dargestellte Grafik doch die Temperaturdifferenz von Wasser zu Luft. Sehen wir uns mal eine andere Grafik an.
Auch hier, das Delta zwischen Wassertemperatur und Lufttemperatur. Wie kann das sein? Wieso wird denn das Wasser auf einmal wärmer, obwohl der Durchfluss steigt?
Die Antwort ist einfach und dem findigen Leser wird sie bereits eingefallen sein: Kreislaufinterne Differenzen. Der Unterschied zwischen beiden Grafiken ist schlicht der Messpunkt im Kreislauf.
Wir schauen einfach mal auf alle Werte im Vergleich.
Nicht von den Farben der Graphen verwirren lassen. Alle sind bei 800W Last entstanden. Ja, die Wärmeabgabe über den Radiator war dank erheblicher Lüfterdrehzahlen während der Messung beachtlich. Deshalb ist das Wasser trotz so hoher Abwärme noch so kühl. An den Graphen an sich macht es erstmal wenig Unterschied.
Kommen wir nun zur Erklärung. Orange dargestellt ist die Differenz der wärmsten Stelle im Kreislauf zur Luft, gelb die kühlste Stelle und blau die kreislaufinterne Differenz. Man sieht an der fallenden Differenz und am Verlauf der anderen beiden Graphen, dass die Kurven sich einander annähern. Dabei ist die Erhöhung der Temperatur an der geringsten Stelle kleiner als die Verminderung der Temperatur an der kältesten Stelle.
Das sieht man dann, wenn man noch einen Graphen hinzufügt, der den Durchschnittswert zwischen beiden Temperaturen angibt.
Man sieht, wie dieser kontinuierlich fällt. Der Haken am Ende ist womöglich ein Fehler in der ursprünglichen Messung und sollte vorerst nicht beachtet werden.* Abseits davon erscheint auch bei der Durchschnittstemperatur wieder der charakteristische Verlauf des Graphen. Die Durchschnittstemperatur sinkt. Wie sehr sie das tut, kommt auf den Kreislauf bzw. die verwendeten Komponenten an. Wäre das Wasser über den ganzen Testverlauf generell wärmer, würde sich womöglich auch ein größerer Unterschied abzeichnen. Die genauen Details bleiben Spekulation.
*Ich habe die Vermutung, dass die Strömungsgeschwindigkeit so hoch wird, dass die Strömung im Radiator auch deutlich turbulenter wird und damit die Wärmeübertragung dort einen Sprung hinlegt. Beweisen könnte man es nur mit einem Kreislauf, welcher noch deutlich mehr Durchfluss bietet.
Zusammenfassend kann man also sagen: Ein verbesserter Durchfluss sorgt auch für eine im Durchschnitt geringere Wassertemperatur.
Die physikalische Begründung liegt darin, dass man strömungstechnische Vorteile auch in Radiatoren hat.
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2.4. Durchflussskalierung eines Kühlers
Kommen wir nun zu Kühlern. Hier habe ich mich für den Heatkiller auf einer 2080ti entschieden, deren Powerlimit ich auf 400W festgelegt habe und die ich mit Furmark zuverlässig in diesen Wertebereich belastet habe. Die Wahl, eine Grafikkarte statt einer CPU zu nehmen habe ich getroffen, weil eine Grafikkarte keine Hintergrundprozesse abzubacken hat, allgemein einen geringeren Wärmewiderstand von den Transistoren bis zum Wasser aufweist und im Falle meiner persönlichen Hardware schlicht mehr Verbrauch hat. Dadurch reduziere ich störende Effekte und erhöhe die Sichtbarkeit der Entwicklung. Diese kann bei anderen Karten und Kühlern variieren, das grundlegende Verhalten bleibt jedoch gleich. Auch sie profitieren von höherem Durchfluss, aber anders als Radiatoren grundsätzlich mehr.
Das liegt daran, dass Kühler durch ihren Aufbau eine große Menge Wärme in einem kleinen Bereich abgeben und außerdem extrem optimiert sind. All diese Optimierungen benötigen (etwas) Durchfluss, um zu greifen, tun dies allerdings schon sehr früh.
Nun, wie sehr skalieren Kühler denn nun mit Durchfluss?
Scheinbar nicht so gut...
Ja, das am Anfang ist wieder ein Messfehler. Das allgemeine Verhalten ist dennoch gut erkennbar. Nur, ist die Skalierung nicht etwas schwach? Bringt Wasser bei einer GPU mit 400W Verbrauch nicht mehr? Das ist Antwort liegt im Messpunkt. Das Wasser wurde nach der Karte gemessen.
Das sieht doch schon ganz anders aus. Der einzige Unterschied zur vorigen Grafik ist, dass hier ein anderer Messpunkt für die Wassertemperatur gewählt wurde. Diese Grafik stellt die Differenz der GPU zum Einlasswasser dar, die vorige Grafik die Differenz zum Auslasswasser. Das ist der entscheidende Unterschied. Man sieht, dass der Kühler sehr gut skaliert und die Temperaturdifferenz deutlich abfällt. Hätte ich den Durchfluss noch weiter abgesenkt, hätte ich schreiben können, dass sich die Temperaturdifferenz durch mehr Durchfluss halbiert.
Jetzt kann man natürlich sagen, ja, aber das Einlasswasser ist bei niedrigerem Durchfluss ja auch niedriger. Gut. Dann zeige ich mal alles.
Hier sind wie zuvor die einzelnen Differenzen zu den jeweiligen Wassertemperaturen zu sehen. Auf der gelben Kurve jedoch sieht man, wie sich die GPU zur Lufttemperatur verhält. Auch hier ist das altbekannte Verhalten zu erkennen, dass die Temperatur mit steigendem Durchfluss sinkt.
Nun mag man meinen: Aber die Karte verbraucht 400W, das ist bei weniger Verbrauch doch anders.
Ich habe natürlich auch mit anderen Verbräuchen getestet.
Dabei beschränke ich mich in dieser Grafik auf die Deltas zur Einlass-Wassertemperatur. Der Einbruch bei der orangenen Kurve ist ein Messfehler.
Auch bei der Differenz zum warmen Wasser zeigt sich ein ähnliches Verhalten.
Schließlich bestätigt sich das Verhalten bei dem Verhältnis der GPU-zur Lufttemperatur. Durch alle Lastbereiche ist eine mehr oder minder große Temperaturreduktion durch mehr Durchfluss zu erkennen. Der Durchfluss verbessert also auch die absoluten Temperaturen der Hardware.
Die Erklärung dafür ist, dass die Strömungsvorteile durch mehr Durchfluss schlicht dafür sorgen, dass die Wärmeübertragung besser wird.
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2.5. Mehrere Kühler im Kreislauf
Nun haben die meisten Leute nicht nur eine Grafikkarte oder CPU im Kreislauf, sondern mehrere Komponenten. Ich simuliere das, indem ich eine zweite, identische 2080ti in den Kreislauf hänge. Das ist in der Praxis natürlich eher selten, doch verhält es sich stets gleich. In der Praxis muss man natürlich die Temperaturdifferenzen zum Wasser für unterschiedliche Hardware miteinbeziehen.Kommen wir also gleich zum Punkt. Fügt man eine weitere Komponente dem Kreislauf hinzu, so wird diese das Wasser der vorigen erhalten. Gleichzeitig steigt der Wärmeeintrag in den Kreislauf, sodass die Wassertemperatur an jedem Punkt insgesamt ansteigt. Zudem wird der Durchfluss reduziert. Da ich durchweg mit zwei (aktiven) Karten getestet habe, wird sich da wenig zeigen.
Hier also die erste Grafik.
Wie man sieht, bleiben die spezifischen Unterschiede zwischen Ein- und Auslass gleich. Warum sich die Einlassdifferenzen der Karten unterscheiden, liegt schlicht an der Messtoleranz der Sensoren und der Abweichung der Sensorik der Karten untereinander. So zeigt die eine Karte durchweg höhere Temperaturen an als die andere. Dieses Verhalten ist sehr exakt reproduzierbar und hängt nicht an eventuell fehlerhafter Montage der Blöcke, weil ich es habe, seit ich die Karten habe und es bei jedem einzelnen Umbau aufgetreten ist. Die Messungen angeglichen habe ich, als ich beide Karten parallel verbaut hatte. Dazu später mehr. In dem Fall ist der Schuldige nach meiner Betrachtung in abweichender Sensorik zu finden. Im Idealfall würden sich auch diese Kurven überlagern, tun sie deswegen allerdings nicht.
Nun erscheint es so, dass beide Karten die gleichen Temperaturen haben. Das stimmt so nicht. Ja, die Differenz zum Wasser ist genau gleich. Aber durch ihre Position im Kreislauf erhält die 2. Karte wärmeres Wasser als die erste.
Dazu bringe ich mal die Differenz zur Lufttemperatur als Referenz ein.
Wie man unschwer erkennen kann, ist die zweite Karte (hellblauer Graph) deutlich wärmer als die erste Karte. Mit steigendem Durchfluss schwindet dieser Nachteil dahin, bleibt jedoch vorhanden.
Jetzt noch die Wassertemperaturen hinzuzufügen, macht die Grafik zu unübersichtlich. Wir können also zum Fazit kommen. Eine weitere Komponente im Kreislauf wird mit bereits vorgewärmtem Wasser gekühlt und erhöht den Gesamtwärmeeintrag ins System.
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2.6. Paralleler Aufbau
Nun kann man umgehen, dass die zweite Komponente im Kreislauf mit vorgewärmtem Wasser gekühlt wird, indem man den Kreislauf aufsplittet und beide Komponenten parallel einbindet. Das bedeutet, dass die Komponenten jeweils die Hälfte des Gesamtdurchflusses erhalten, weil dieser zweigeteilt wurde. Dementsprechend können wir schon jetzt ableiten, dass die Karten durch den schlechteren Teildurchfluss etwas schlechtere Deltas aufweisen als im seriellen Aufbau. Inwiefern sich das dann durch die Frischwasserzufuhr ausgleicht, bleibt abzuwarten.Nun, ich habe es getestet.
Wie man sieht, verhalten sich beide Karten genau gleich. Das ist wenig überraschend, sind beide doch völlig baugleich und werden gleich durchströmt. Bei unterschiedlichen Komponenten, Kühlern und Lastszenarien würde das variieren. So jedoch hat man bei beiden Karten gleich gute oder gleich schlechte Werte.
Nun kann man die Werte noch der Vollständigkeit halber mit der Relation zur Lufttemperatur setzen.
Das vergleichbare Verhalten zieht sich weiter durch. Man erkennt auch hier die üblichen Kurvenformen.
Nun, wie schlägt sich der parallele Aufbau gegenüber dem seriellen? Zeit für den Showdown.
Wenig überraschend ist der serielle Aufbau bei der ersten Karte nicht zu schlagen. Bei der zweiten Karte jedoch ist es schon ein deutlicheres Kop-an-Kopf-Rennen zwischen beiden Aufbauten. Hier wird das wärmere Eingangswasser des seriellen Aufbaus durch den besseren Durchfluss der einzelnen Karten mehr als ausgeglichen. Umso weiter der Durchfluss ansteigt, umso deutlicher zeichnet sich dieses Verhalten ab.
Nun habe ich noch eine Anmerkung zum äußerst rechten Messpunkt. Ich habe diesen immer mit maximaler Pumpenleistung erfasst. Im parallelen Aufbau zeigt sich eine deutliche Steigerung des erreichbaren Durchflusses, und das in einem Bereich, wo es wirklich schwer ist, den Durchfluss noch deutlich zu steigern.
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3. Mythbusting & FAQ
Nun, wer es bis hier hin geschafft hat, sollte eigentlich sowieso keine Fragen mehr haben. Dennoch, für den Fall, dass noch Unklarheit herrscht oder aber, um die Fragen einfach direkt zu beantworten, gibt es dieses Kapitel.Zum Inhaltsverzeichnis
3.1. Wie viel Durchfluss brauche ich denn nun?
Es ist immer eine sehr gute Frage und wenn sie jemand stellt, so verliert sich die Diskussion so gut wie immer in theoretischen Überlegungen. Das passiert dieses Mal nicht, die theoretischen Überlegungen sind bereits da. Ich kann die Frage also einfach beantworten. Wichtig ist dabei, auf das tatsächliche Delta Komponente zu Luft zu schauen. Da ist mein Testaufbau mit 800W natürlich etwas zweifelhaft. Umso größer die Abwärme, umso stärker wirkt sich der Durchfluss aus. Natürlich ist mehr Durchfluss immer besser, aber es spielt auch die Lautstärke mit rein und der finanzielle Aufwand durch eine stärkere/mehrere Pumpen. Gängig ist die Regel, dass man mit 60l/h gut versorgt ist. Da gehe ich konform, 60l/h reichen aus, um die gröbsten Nachteile durch geringen Durchfluss auch bei hoher Abwärme abzufangen. Wenn sich so die Pumpe lautlos betreiben lässt, wunderbar. Der Zugewinn durch mehr Durchfluss ist natürlich noch vorhanden, befindet sich jedoch im einstelligen Bereich. Habt ihr generell weniger stromfressende Hardware, wird sich dieser Zugewinn noch weniger zeigen. Grundsätzlich kann man den Durchfluss auch noch deutlich drosseln. Gerade bei niedriger Lastanforderung reicht oft schon ein sehr geringer Durchfluss für gute Temperaturen aus. Umgekehrt wird man aber immer von mehr Durchfluss profitieren.Um es zusammenzufassen: 60l/h sind ein guter Richtwert, darunter geht auch, ist aber mit steigenden Nachteilen bei der Temperatur verbunden. Darüber ist alles bis 150l/h sinnvoll, danach überschreiten die Kosten in der Regel den Nutzen.
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3.2. Die Reihenfolge der Komponenten im Kreislauf ist egal
Nun, die Frage oder eher die Aussage kommt ziemlich häufig. Grundsätzlich ist sie natürlich falsch, man möge sich dochdie Grafiken in diesem Artikel ansehen. Die Reihenfolge ist von Bedeutung und wie groß ihre Bedeutung ist, legt der Durchfluss fest. Sicher, bei 300l/h verschwindet das weitgehend, aber wer fährt im Alltag 300l/h? Gängiger sind eher 60l/h und da sind die kreislaufinternen Temperaturunterschiede eben 5 Mal so hoch wie bei 300l/h und das merkt man dann schon an den Temperaturen. Umso weiter man den Durchfluss absenkt, umso deutlicher zeigen sich diese Unterschiede. Somit werden Komponenten mit unterschiedlich kalten oder warmem Wasser gekühlt, abhängig von ihrer Position im Kreislauf. Die Reihenfolge ist also nicht egal. Davon ausgehend kann es durchaus zweckmäßig sein, die Reihenfolge zu bedenken, um so einstellige Temperaturvorteile zu erlangen und bspw. eine Booststufe in sämtlichen Szenarien halten zu können.Das sind Punkte, die vor allem bei energieintensiven Komponenten wie Grafikkarten oder auch der ein oder anderen CPU zum Tragen kommen. Nun finden sich in Wasserkühlungskreisläufen auch andere Komponenten, bei denen die Reihenfolge durchaus eine Rolle spielen kann. Manche Komponenten benötigen besonders kühles Wasser bzw. Wasser, welches nicht über einer bestimmten Temperatur sein darf. Das aktuellste Beispiel dafür ist eine bestimmte Baureihe von RAM-Bausteinen, die zwar für ihre Übertaktbarkeit, aber gleichzeitig auch für ihre Anfälligkeit gegenüber Temperaturen über 40°C bekannt sind. Davon ausgehend kann es durchaus zweckmäßig sein, diese Komponenten an die kälteste Stelle zu setzen oder gar den Durchfluss gezielt zu reduzieren und damit Nachteile bei anderen Komponenten in Kauf zu nehmen. Umgekehrt gibt es auch Komponenten, die von wärmeren Bedingungen profitieren. Hier spielen vor allem NVME-SSDs eine Rolle, deren Speicherchips von höheren Temperaturen profitieren, oder aber auch Spannungswandler, weil die in der Nähe befindlichen Spulen bei höheren Temperaturen weniger zum Spulenfiepen neigen. Das sind jedoch Randerscheinungen und nur in den wenigsten Kreisläufen werden solche Komponenten auch mit Wasser gekühlt.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Unterschiede durch die Reihenfolge nur bei niedrigem Durchfluss und/oder hoher Abwärme wirklich zum Tragen kommen. Messbar sind sie jedoch immer, nur oft gering genug, dass die Unterschiede und damit die Reihenfolge zu vernachlässigen sind.
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3.3. Das Wasser ist im ganzen Kreislauf gleich warm
Nun, da könnte ich nun einfach auf die Absätze 2.2. und 2.3. verweisen, wo die Temperaturunterschiede innerhalb des Kreislaufs über 10K betragen. Dennoch, die kurze Erklärung. Wasser nimmt bei den Blöcken Wärme auf und gibt sie bei den Radiatoren ab. Je nach Durchfluss ist das mehr oder weniger Wärme pro Wassermenge. Das bestimmt, wie sehr sich das Wasser erwärmt oder abkühlt. Damit wäre das auch schon widerlegt. Das Wasser ist nicht im ganzen Kreislauf gleich warm. Bei hohem Durchfluss und geringer Abwärme mag das so erscheinen, weil die Messwerte sich sehr stark annähern. Dennoch sind die Unterschiede immer vorhanden und zeigen sich gerade bei niedrigem Durchfluss deutlich.Zum Inhaltsverzeichnis
3.4. Hoher Durchfluss ist schlecht, weil das Wasser in den Radiatoren nicht gut runtergekühlt wird
Der Mythos ist nun wirklich alt und vor allem nervig. Die Antwort ist: Völliger Blödsinn. Es stimmt schon, bei hohem Durchfluss fällt die Wassertemperatur in einem Radiator nicht so sehr wie bei niedrigem. Natürlich ist die Verweildauer im Radiator geringer und das Wasser gibt weniger Wärme ab. Deshalb hat man am Ausgang auch nur geringfügig kühleres Wasser als am Eingang.Da gibt es mehrere Punkte, die nur immer wieder vergessen werden.
1. Das gilt auch für Blöcke. Bei hohem Durchfluss hat das Wasser keine Zeit, so viel Wärme aufzunehmen. Es erwärmt sich also nur gering und muss deswegen nur wenig Wärme wieder abgeben. Verschlechtern sich deswegen die Temperaturen? Nein, im Gegenteil. Sie werden durch Strömungseffekte sogar besser.
2. Die Periodendauer. Gut, den Begriff zu verwenden, mag fragwürdig sein. Dennoch führe ich ihn an. Bei hohem Durchfluss passiert das Wasser Blöcke und Radiatoren sehr viel öfter. Über eine feste Zeiteinheit gerechnet befindet sich das Wasser jedoch unabhängig vom Durchfluss immer gleich viel im Radiator oder im Block. Ein Rechenbeispiel. Die Zahlen sind rein fiktiv: Der Kreislauf fasst 1l Wasser. Der Radiator übernimmt 500ml, der Kühler 50ml. Nun habe ich einen Durchfluss von 60l/h. Heißt also, 1l/min. Das Wasser wird in einer Minute den Kreislauf einmal komplett passieren. Dabei braucht es genau 30s, um die 500ml Wasser im Radiator völlig zu ersetzen und 3s, um das Wasser im Kühler völlig zu ersetzen. Rechnen wir das auf eine Stunde hoch. Das Wasser fließt 60 mal durch den Kreislauf. Das bedeutet, es befindet sich nun 30 min im Radiator und 3 min im Kühler. Soweit alles klar? Dann verdoppeln wir den Durchfluss auf 120l/h, also 2l/min. Das Wasser passiert den Kreislauf nun doppelt so schnell, also halbieren sich die Verweilzeiten. Das Wasser ist nur noch 15s im Radiator und 1,5s im Kühler. Aber das tut es doppelt so oft. Auf die ganze Stunde gerechnet tut sich nichts. Das Wasser ist 30min im Radiator und 3min im Kühler. Jetzt kann man das noch mit 30l/h oder beliebigen anderen Werten durchrechnen, das Ergebnis bleibt gleich. Auf eine Stunde gerechnet befindet sich ein bestimmtes Wasserteilchen immer gleich lang oder gleich anteilig in den entsprechenden Komponenten des Kreislaufs.
3. Falsche Messpunkte. Oft werden solche Behauptungen von Personen angeführt, die entweder grundsätzlich falsch messen (fragt mich nicht, wie) oder aber nicht wissen, was sie messen. Natürlich ist das Wasser am Ausgang es Radiators bei niedrigem Durchfluss kälter, das liegt in der Natur der Sache. Würde man aber am Eingang des Radiators messen, sähe das Ergebnis ganz anders aus.
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3.5. Man muss einen Radiator nach jeder Komponente haben
Nun, es gibt immer auch die andere Seite, die die Wärmeaufnahme völlig überschätzt. Die Antwort ist wieder: Nein. Das Wasser erwärmt sich und das tut es bei niedrigem Durchfluss auch so sehr, dass man das leicht messen kann. Erforderlich ist so eine Verteilung jedoch nicht. Natürlich kühlt man das Wasser für die nachfolgende Komponente wieder etwas herunter, dabei sollte man jedoch etwas beachten.Wie sehr das erfolgt, hängt vom Radiator ab. Habe ich einen Kreislauf mit 2 360ern, einer 100W-CPU und einer 300W-Grafikkarte und hänge einen Radiator hinter die Graka und vor die CPU, so wird das Wasser nach diesem Radiator immer noch nicht so kühl sein wie nach dem Radiator zwischen CPU und Graka. Das liegt daran, dass die Grafikkarte einen wesentlich höheren Wärmeeintrag hat. Sicher, das Wasser ist kälter, aber doch noch wärmer als das Einlasswasser der Grafikkarte.
Zudem kommt, dass die Unterschiede meist gering ausfallen. Natürlich, wenn sich das einfach verschlauchen lässt und keine Nachteile bringt, warum nicht? Mehr als messbare Unterschiede wird es jedoch nicht bringen.
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