AW: Icedragoncooling: Nanopartikel statt Wasser als Kühlmittel - Bilder von der CES
keine Sorge, ich bringe da nichts durcheinander
Ich fürchte doch.
So und jetzt sag mir mal bitte, wie du ein System mit unendlicher Wärmekapazität ohne Austausch des Medium von einem solchen unterscheidest, welches eben eine finite Wärmekapazität hat, aber eben einen Austausch, wenn man den Vorgang des Materieflusses nicht berücksichtigt und ein kleines geschlossenes System betrachtet?
Die Wärmekapazität ist eine Stoffeigenschaft und ist neben dem Stoff ausschließlich von der Temperatur abhängig. Von dieser hängt btw auch der Aggregatzustand ab, aber wir reden hier über flüssige Medien im Temperaturbereich von üblicher Raumtemperatur bis ca. 60 C° (mehr hat wenig Sinn). Egal in welchen Systemgrenzen oder ob du es stationär oder instationär betrachtest, die spezifische Wärmekapazität des Mediums ist und bleibt endlich und es gibt auch keine quasi-unendliche Wärmekapazität. Schau dir mal die Einheit der Wärmekapazität an, dann wir dir klar was es damit auf sich hat. Die Wärmekapazität eines Stoffs ist kein dehnbarer Begriff, den man durch die Betrachtungsweise ändern kann, sondern eine messbare physikalische Größe bei für jeden Stoff bei jeder Temperatur einen festen endlichen Wert besitzt. Was du da machst ist einfach unpräzise Begriffsverwirrung. Wie gesagt - ich weiß wie du es meinst, aber so eine Betrachtungsweise ist nicht sinnvoll und der Begriff Wärmekapazität wird vergewaltigt, für etwas das er nicht ist. Bei anderen Usern bleibt da u. U. grober Mist hängen, der später wieder mühsam erklärt werden muss.
Edit: Was du bei deiner Betrachtungsweise machen kannst ist ne Energiebilanz. Die würde dann bei unendlicher Laufzeit unendlichen Wärmeumsatz ausweisen - aber das gilt selbstverständlich für jedes System mit Wärmequelle und Wärmesenke, wenn du es so betrachtest. Das rein gar nichts mit der Wärmekapazität zu tun.
Der ausschlaggebende Punkt war "quasi". Das verdeutlich/zeigt eigentlich, dass es sich um eine Annalogie/Näherung/Modell handelt, und das ist eben für die gegebene Fragestellung völlig ausreichend und macht die Anschauung deutlich einfacher. Vor allem schreib ich ja noch dazu "in nächster Näherung"...
Im physikalischen Sprachgebrauch wird "quasi" als Vorsilbe vor allem für Werte oder Zustände gebraucht, die gegen einen Grenzwert streben und diesen daher niemals erreichen können, aber ihm bereits so weit angenähert, sind, dass der Unterschied zum Grenzwert für den praktischen Gebrauch vernachlässigbar ist. "Quasi" ist somit zwar ein Prädikat für eine Näherung aber, wenn dein Grenzwert unendlich ist (was hier wie gesagt nicht der Fall ist, weil die Wärmekapazität finit ist und auch nicht anders aufgefasst werden kann), kann man "quasi" höchstens als umgangssprachliche holprige Umschreibung dessen ansehen, dass du Wärmekapazität als die Wärmemenge auffasst die ein System umsetzt und dies auf einen unendlichen Zeitraum beziehst. Das ist Humbug und hat mit der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffs nichts zu tun. So rechnen vllt. Finanzmathematiker aber keine echten Wissenschaftler
.
Wie beschreibst du denn das Zurückprallen eines Fußballs von einer Wand in nächster Näherung? Richtig, du setzt die Wand mit quasi unendlicher Masse ein, da Sie mit der Erde Verbunden ist, die eben in Relation zur Masse des Balls quasi unendlich ist. Absolut korrekt ist dies nicht, aber in nächster Näherung ABSOLUT! ausreichend...
Bei der Impulserhaltung ist dagegen ja nichts einzuwenden, wenn du eine Masse hast die für dein System als unendlich betrachtet werden kann. Rechne das aber mal mit ideal elastischem Mond der auf die Erde prallt statt eines Fußballs (natürlich auch mit ideal elastischer Erde - sonnst zieht sie den Kürzeren
) - schon war´s nicht mehr mit der Unendlichkeit. Und vor allem bezieht man sich hier nicht auf die Zeit, wie du es tust
.
Worauf du doch hinaus willst ist der quaistationäre Zustand in dem du das System betrachtest (also ein Zustand in dem Zeit keinerlei Rolle spielt). Selsbtverständlich kannst du so viel Wärme darin umsetzen wie du willst, aber das ändert nicht an der Wärmekapazität des Wärmeträgers, denn diese ist im stationären Zustand zu jedem Zeitpunkt genauso konstant und endlich wie unter jedem anderen Betrachtungshorizont solange die Temperatur gleich ist. Du kannst nicht Wärmekapazitäten aufsummieren - allenfalls umgesetzte Wärmemenge pro Zeit. Diese wäre in der tat unendlich, wenn das System unendlich lange läuft (zumindest wenn wir mal die Kosmologie aus dem Spiel lassen).
Hab ich das geschrieben? siehe oben
Ja, auch wenn du "quasi unendlich" schreibst - das ist einfach Unsinn. Siehe oben
Die Wärmekapatzität hängt im entscheidenden Maße vom Phasenzustand des Stoffes usw ab. So pauschal kann man das nicht sagen.
Und jetzt überleg mal scharf wovon der Phasenzustand eines Stoffs abhängt und wovon die Wärmekapazität demnach abhängt - richtig von der Temperatur
. Nichts anders habe ich geschreiben. Wir reden hier wie gesagt über flüssige Medien im Temperaturbereich zwischen RT und ca. 60°C.
Ähm dir ist schon klar, warum man son Aufstand bei den aktuellen Kühlern mit ihren ganzen Mikrometer-Strukturen macht?
Jep, mir ist das sehr wohl klar und ich brauche von dir gewiss keine Nachhilfe in Sachen Strömungsmechanik und Wärmeübtragung in Wasserkühlern - ich baue welche und weiß ziemlich genau worauf es dabei ankommt
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Richtig, um den Wärmeübergangskoeffizient zu steigern. Das Problem ist ja, das man an jedem durchfluteten Körper an den Grenzflächen zwischen Feststoff und Flüssigkeit quasi immer eine kleine/große Grenzschicht mit laminarer Strömung hat, die eben, bei Rohren, ein parrabelförmiges Strömungsprofil hat. Das beudetet aber, dass für kleine delta_x die Geschwindigkeit der Flüssigkeit 0 beträgt, da Sie eben am Feststoff "festhängt". Mit den Mikrostrukturen will man ja genau das reduzieren durch turbulente Strömungen. Mir ist es jetzt grad zu blöd den physikalischen Zusammenhang raus zu suchen, aber findet man mit etwas Suche im Netz inkl guter Erklärung, wie das funktioniert.
Brauchst nicht raus suchen - hab ich hier selbst im Forum afair schon des öfteren recht ausführlich erklärt
. Eine parabelförmige Hagen-Poisseulle Strömung hast du nur im laminaren Strömungsfall. Im turbulenten Strömungsfall ist die Parabelform nicht mehr vorhanden, sondern es bildet sich eine Trogform mit ausgeprägter Kernströmung gleicher mittlerer Geschwindigkeit, die mit zunehmendem Turbulenzgrad immer steiler wird und die Grenzschicht immer weiter verkleinert. Der eigentlich ausschlaggebende Punkt der turbulente von laminarer Strömugn unterscheidet ist jedoch der, dass nicht mehr, wie im laminaren Fall, alle Moleküle einen in Strömungsrichtung ausgerichteten Geschwindigkeitsvektor besitzen, sondern auch Geschwindigkeitsvektoren quer zur Strömungsrichtung vorkommen - je höher die Reynoldzahl desto mehr. Deshalb ist btw die ideale laminare Strömung reibungsfrei und turbulente Strömungen reibungsbehaftet. Für den Wärmeübergangkoeffizienten hat die Tatsache, dass nun auch Geschwindigkeitsvektoren quer zur Strömungsrichtung vorkommen jedoch vor allem den Einfluss, dass nun eben nicht mehr Wärmeleitung die Wärmeübertragung bis zur Kernströmung bestimmt, sondern direkte Wärmeübertragung mit der Wandung möglich ist. Wärmeleitung ist nur noch in der nun sehr dünnen Grenzschicht von belang, wobei auch die mit zunehmendem Turbulenzgrad immer häufiger durchbrochen wird, bis man sie bei sehr hohen Turbulenzgraden als aufgelöst betrachten kann (das schafft man einer Wakü aber nicht ganz).
Btw: Die kritische Raynoldszahl wird zwar auch schon in einfachen Kanalkühlern und schwachen Pumpen überschritten. Nichts desto trotz lässt sich aber beim Wärmeübergangskoeffizienten in der Tat das Meiste raus holen in Punkto Kühlleitung. Wie schon erklärt wurde spielt dafür nicht nur die lokale Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch die Übertragungsflächenverhältnisse eine nicht ganz unwesentliche Rolle, was das Ganze zur Optimierungsaufgabe macht. In einer Wakü wird man bezüglich des erreichbaren Turbulenzgrades jedoch durch den geringen Pumpendruck stark beschränkt. Ich habe schon mit Wasserkühlungen gearbeitet die im Wakü-ähnlichen Temperaturbereich mehrere kW von einer Fläche abführen konnten, die noch kleiner als die einer CPU war. Mit extremen Turbulenzgraden und aktiv gekühltem Medium, kann man da schon einiges raus holen. Für eine Wakü ist das aber uninteressant da hier mit Strömungspumpen gearbeitet wird, die keine nennenswerten Drücke aufbauen können, womit solch horrende Strömungsgeschwindigkeiten in den Strukturen ermöglicht werden. Verdrängerpumpen sind in einer Wakü einfach zu laut und das System wäre nicht mehr für Laien aufzubauen, weil es druckfest sein müsste (und damit meine ich nicht druckfest im Sinne von den den paar Millibar die Wakü-Pumpen aufbauen).
Die hohe Wärmekapazität hilft dir nur mit relativ geringem Massetransport aus zu kommen. Wenn die Wärmekapazität kleiner wäre, müsste man "nur" die Durchflussgeschwindigkeit erhöhen, da ansonsten delta_T sich natürlich gegen Ende der Kühlstruktur reduziert, was dann eine schlechtere Kühlleistung bedeutet.
Nichts anderes habe ich gesagt - nur habe ich dafür die Wärmekapazität nicht umfunktioniert, wie du es getan hast
. Natürlich ist das so - genau das ist wie gesagt der Grund warum einen hohe spezifische Wärmekapazität des Trägermediums so wichtig ist in einer Wakü. Nur das erhöhen des Durchflusses ist ein Problem. Pumpen die höheren Druck aufbauen und somit die Strömungsgeschwindigkeit in einem gegebenen Kühler erhöhen, verbieten sich meist aufgrund der Lautstärke-Problematik. Das gilt bereits für überdimensionierte Strömungspumpen (z.B. in der üblichen Bauform als Kreiselpumpe) aber erst recht für Verdrängerpumpen. Damit scheidet diese Option in aller Regel aus. Wenn dann noch hinzu kommt, dass alle Nanofluide die bislang das Licht der Welt erblickten haben deutlich höhere Viskosität besaßen als Wasser, wird das noch schwerer.
Eine Durchflussgeschwindigkeit ist btw schon wieder so eine unpräzise Wortschöpfung - äußerst missverständlich, da sie genau das herauf beschwört was damals zum unsäglichen HighFlow-Wahn geführt hat, der die Kühlerentwicklung um Jahre zurückgeworfen hat. Der Durchfluss ist der Volumenstrom also Masse pro Zeit die Strömungsgeschwindigkeit ist hingegen Strecke pro Zeit. Es kommt darauf an, dass man sich bei so was einigermaßen präzise ausdrückt, weil solche Wortschöpfungen wie Durchflussgeschwindigkeit leider nur allzu gern von der breiten Masse komplett missverstanden werden.
Du musst halt weniger Masse bewegen, ja, das ist ein Vorteil. Zwischen der Wärmekapazität von Luft und Wasser liegen aber auch Welten... Da sind für Luft einfach die technischen Möglichkeiten begrenzt, die geringere Wärmekapazität durch höheren Massetransport aus zu gleichen. Ob ich jetzt aber Wasser oder was mit 10/20 % mehr Wärmekapazität hab ist relativ bumse. Das kann ich noch durch höheren Massetransport ausgleichen. So groß ist die Temperaturerhöhung vor und nach dem Kühler normal nicht, als dass das signifikante Änderungen bringen sollte.
Wer sich Nanofluid ins System kippt, um damit zu versuchen noch ein halbes Kelvin weniger auf seiner fragwürdigen Sensoranzeige lesen zu können, hat in der Regel schon einen oder gar mehrere der stärksten und lautstärkemäßig schon für die allermeisten nicht mehr tolerierbar lauten Pumpen im Kreislauf. Da steigerst sich´s schwer
.
Die Temperaturveränderung am Kühler ist im Regelfall nur bei Grafikkarten mit sehr hoher Verlustleitung messbar. An CPUs kann ist es im Regelfall nicht auflösbar - da haste recht. Auch das ist ein Effekt der direkt der hohen Wärmekapazität von Wasser zu verdanken ist.
VJoe2max schrieb:
Da Wasser eine der höchsten Wärmekapazitäten besitzt die es bei Stoffen gibt, die im relevanten Temperaturfenster flüssig sind und, weil es chemisch unbedenklich ist, stellt es das ideale Kühlmedium in einer Flüssigkeitskühlung dar, die in einem für PC-Waküs typischen Temperaturbereich betrieben wird. Seine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit spielt hingegen so gut wie keine Rolle.
Richtig, und es ist noch eins... BILLIG, was am Ende eh entscheidend ist in diesem Einsatzbereich, oder würde hier jemand für 30% bessere Kühlleistung 100.000 € bezahlen?
(fiktiver Wert)
30% wäre auch bei teuersten Rohstoffen und aufwändigster Fertigung Traumtänzerei. Erst mal an reines Wasser ran kommen wäre das Ziel. Ist bisher noch nicht nachweislich gelungen
.
Dass Produkte für den Massenmarkt billig sein müssen versteht sich, aber das ist hier denke ich nicht das absolut ausschlaggebende Argument - es gibt immer Leute die das Geld mit vollen Händen zum Fenster raus werfen.
Das Problem an solchen Zielen ist eher die Physik. Unter den gegebenen Randbedingungen ist das schlicht nicht drin.
Sicher, dass der Wärmeübergangskoeffizient nicht reduziert werden soll? Ich hatte ja schon was dazu gesagt bzgl News.
Ja, mit Hilfe der Wärmleitfähigkeit - aber er soll nicht reduziert, sondern vergrößert werden
. Wäre sonst ziemlich unsinnig.
Es gelingt nur bislang nicht nicht ohne dabei entweder die strömungstechnischen Eigenschaften (z.B. die Viskoität) und damit die erheblich wichtigere Strömungsgeschwindigkeit negativ zu beeinflussen und noch dazu Wärmekapazität zu verlieren. Das ist einfach das Rädchen, das am wenigsten Einfluss hat und gleichzeitig nur mit Einbußen bei den wichtigeren Parametern zu erreichen ist. Deshalb müsste man schon froh sein, wenn es gelänge ien Nanofluid zu brauen, welches für den Anwendungsfall in einer Wakü mit Wasser gleich zieht.
Nochmal, bist du dir 100% sicher mit der Wärmeleitfähigkeit und nicht dem Wärmeübergangskoeffizient?
Bitte schau dir mal die Definition des Wärmeübergangskoeffizienten an - dann wird dir ein Licht aufgehen. Ist das gleiches Spiel wie oben
. Der Wärmeübergangskoeffizient ist keine Stellschraube an der man drehen kann, sondern nur an den Faktoren die ihn beeinflussen. Er ist keine Stoffeigenschaft, sondern wird durch sie beeinflusst.
Wovon ist der Wärmeübergangskoeffizient neben der Strömungsgeschwindigkeit abhängig? - richtig von der Wärmeleitfähigkeit.
Welcher Einfluss ist aber bei einer, wegen turbulenter Strömung, stark reduzierten Grenzschicht der maßgebliche Einflussfaktor - drei mal darfst du raten
. Es ist nicht eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit des Fluids.
Und ansonsten, Beryllium hat z.B. nahezu die gleiche Wärmekapazität pro Volumen wie Wasser. Du vergisst nämlich gerade, dass beim Austausch von einem Stoff durch den anderen nicht nur die spezifische Wärmekapazität entscheidend ist, die eine größe der Masse ist, sondern die Wärmekapazität des Volumens entscheidend ist... Da spielt die Dichte dann nochmal mit rein, und tata, schon ist Beryllium ziemlich ähnlich zu flüssigem Wasser. Zu Wachs hab ich jetzt keine Dichte gefunden, sollte aber auch nicht all zu weit weg sein. Kann man aber eh nicht 100% genau beurteilen. Falls bei den Nanopartikeln im Inneren ein Phasenübergang stattfindet, hat man eine gewaltig viel höhere Wärmekapazität/Volumen als mit Wasser...
Es gibt noch weitere Feststoffe und Gase die ähnliche spezifische Wärmekapazitäten wie Wasser haben (auch höhere) - aber was sind diese im gesuchten Temperaturbereich? - richtig - nicht flüssig
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In Nanopartikeln die einer Flüssigkeit emulgiert sind findet kein phasenübergang statt - warum geht das wohl nicht
. Man müsste die verkapseln, wenn man das wollte und dann bewegt man sich bei dafür verwendbaren Methoden schon wieder nicht mehr im Bereich von Nanopartikeln (wobei das wirklich mal ein recht dehnbarer Begriff ist). Warum man Nanopartikel zusetzt, hat neben der marketingfreundlichen Bezeichnung aber andere Gründe. Die Wäremakpzität der Nanopartikel ist jedenfalls nicht das wovon man profitieren will, sondern ihre Wärmeleitfähigkeit und damit ihre Eigenschaft in der Grenzschicht die Wärme besser zur Kernströmung zu transportieren.
Achso, und wie funktionieren dann bitte Heatpipes?
Ich werd´s dir jetzt nicht erklären, da du weißt wie sie funktionieren, aber auch da macht man sich im fraglichen Temperaturbereich nicht ohne Grund die hohe Wärmekapazität von Wasser zu nutze
. Die für unsere Zwecke genutzten Heatpipes nutzen nämlich - Oh Wunder - Wasser als Medium (nur eben bei Unterdruck). In anderen Temperaturbereichen eignen sich andern Wärmeträger besser.
Und das weißt du woher genau?
Schon Messwerte ermittelt?
Deine Betrachtung ist viel viel viel zu oberflächlich. Es gibt mehrere Variablen von dem das Ganze abhängt. Da allein auf Grundlage von einem Wert eine absolute Aussage zu treffen ist nicht sehr intelligent.
Das ist hier nicht das erste "Nanofluid" für den Wakü-Markt. Wenn du mal paar Jahre länger im Wakü-Zirkus dabei bist, wirst auch du merken wie der Hase läuft
. Es gab schon x Messreihen und Tests, mit derartigen Soßen. Ließ dich mal in das Thema, ein, dann wird deine Sichtweise auf diese Thema vllt. etwas realistischer.
Nur weil bisher die Versuche nicht wirklich geklappt haben, kann man nicht einfach sagen, dass es prinzipiell nicht funktioniert.... Wenn wir nach dem überall gehen würden, würden wir noch immer in Höhlen hausen und darauf warten, das wieder nen Blitz einschlägt, damit wir Feuer klauen können, weil Hansblöd nicht aufgepasst hat, und unser altes Feuer hat ausgehen lassen
Man kann - weil auch die Hersteller von Nanofluid an physikalsiche Gesetze gebunden sind. Sicher ist es ein Ansatz die Wärmeleitfähigkeit mit Nanopartikeln zu verbessern, aber wenn ich mir damit Viskosität und Wärmekapazität versaue geht der Schuss nach hinten los, und das ist nicht vermeidbar. Das beste was man sich vllt, vorstellen könnte, wäre ein Nanofluid, was ungefähr mit reinem Wasser mithalten kann, weil man ein Mischverhältnis findet bei dem die negativen Effekte durch die positiven gerade aufgewogen werden. Das würde dann aber auch nur in einem sehr begrenzten Parameterfenster gut funktionieren. So universell, leicht zu handhaben und langzeitstabil wie Wasser wird es nicht werden. Eine Lösung für die breite Masse ist das also sowieso nicht - dafür ist Wasser einfach zu gut geeignet.
Bei den Kühlmedien Wasser/Luft tauscht du fortwährend das Medium aus. Eben mit neuem kühlen Medium. Versuch das mal mit nem Feststoff..
Auf was beziehst du dich? Der Satz schwebt irgendwie in der Luft. Wenn du damit auf deine eingangs erwähnte Wärmekapazitäts-Geschichte hinaus willst - das hab ich oben bereits ausführlich erläutert.
Gegenfrage: Jetzt verstanden?
So jetzt musste ich doch alles bis ins kleinste Ausführen, worauf ich eigentlich keinen Bock hatte, nur weil wieder einer meintes hypergenau nehmen zu müssen, und nicht mal kurz nachdenkt, was man damit gemeint haben könnte.
Was du meinst war mir von vorn herein klar, aber was du schreibst passt nicht dazu. Eine gewisse Präzision ist auch hier angebracht - ansonsten kommen wieder Leute auf so glorreiche Ideen wie: Aha, einer hoher Durchfluss hat in System XY ein K mehr Kühlleistung gebracht, also baue ich mir jetzt einen Kühler ein der weniger Widerstand bietet, um auch mehr Durchfluss zu erreichen ....
Du weißt hoffentlich worauf ich hinaus will.
EDIT:
Ich hab jetzt zum Spaß doch mal schnell gegoogelt. Leider habe ich die schöne Seite mit einer Zusammenfassung der Formeln zur Berechnung des Wärmeübergangkoeffiziente für Festkörper->Flüssigkeiten leider nicht gefunden.
Der Link hier, sollte aber für eine knappe Übersicht eigentlich ausreichen:
http://www.itw.uni-stuttgart.de/lehre/lehrveranstaltungen/Dokumente/wus/kap5.pdf
Für mich hättest dir die Mühe ersparen können. Hab den Kram studiert und wende ihn in der Praxis an - ich weiß wie´s funktioniert
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