Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

[Incredible Alk]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Die These, einen Flüssigkeitskreislauf ohne Pumpe/passiv zum CPU kühlen nutzen zu können, auch wenn mit einigen Kniffen (Verdampfung, angepasster Siedepunkt), "bewiesen".

Es ist (immer noch) kein Flüssigkeitskreislauf, es ist ein Phasenwechselsystem.
Ich sage auch keinesfalls dass irgendwas frei erfunden ist - lediglich dass es sowas trotz Ankündigungen nicht zu kaufen gibt.

Man gestatte mir zusätzlich den Hinweis dieses mal in offizieller Art, dass wir und zunehmend weiter vom Threadthema entfernen und das so nicht passieren sollte.

 

[Gordon-1979]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Natürlich hat der Durchmesser von Schläuchen einen Einfluss auf den Durchfluss in einem Kreislauf. Insbesondere dann, wenn nur wenige Kühler verbaut sind und bereits ein eher hoher Durchfluss erreicht wird. Ein um 75 Prozent höherer Wert, wie von Ihnen gemessen, erscheint zwar sehr hoch und könnte auch teilweise auf neue Anschlüsse und veränderte Strömungsverhältnisse im Durchflussmesser geschönt sein, bei einem Wechsel von 8 auf sehr weite 12 mm Innendurchmesser liegt er aber noch im Bereich des möglichen.

Leider kann ich das nicht so bestätigen.
Ich bin von 10/8mm zu Crystal Link Tube 12/10mm umgestiegen, habe keinen Unterschied feststellen können.
Habe selbst bei 10/8mm Teflon-, PUR- und PVC-Schläuche im Vergleich, kein Unterschied messbar.

 

[nonamez78]

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Leider kann ich das nicht so bestätigen..

Es geht bei der Kühlerei immer um die Menge "Material", welche die entstandene Wärme aufnehmen kann. Ein kleinere Durchmesser benötigt eine höhere Flussgeschwindigkeit, welche nur durch mehr Pumpendruck zu erreichen ist (ausser die Rohe sind im Vergleich zur Pumpe so widerstandsfrei, dass es nicht mehr auffallen mag.

Das ist reine Physik, kein Bauchgefühl, oder Spinnerei . Wenn es bei Dir dennoch funktioniert, gleicht die Pumpe es ggf. aus, oder die Kühlung ist überdimensioniert.

Hinzufügen, als Gegendarstellung, sollte man aber auch, dass die Rohre/Schläuche, welche wir alle nutzen, viel mehr im Stande wären zu leisten. Auf solchen Innendurchmessern (> 10mm) kann man eine ganze Heizung betreiben, welche ein grosses Einfamilienhaus beliefert (die Pumpen verbrauchen heute auch nicht mehr mehr als 10 Watt).

 

[Faxe007]

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Leider kann ich das nicht so bestätigen.
Ich bin von 10/8mm zu Crystal Link Tube 12/10mm umgestiegen, habe keinen Unterschied feststellen können.
Habe selbst bei 10/8mm Teflon-, PUR- und PVC-Schläuche im Vergleich, kein Unterschied messbar.

Tja, kommt immer auf den Kreislauf an. In vielen Kreisläufen stammt der größte Strömungswiderstand von "Engstellen", nicht den Schläuchen. Engstellen sind z.B. Schnellkupplungen oder ein Filter. Das bisschen Schlauch ohne Kalibersprünge macht nicht viel.

 

[Gordon-1979]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Also ich kann sagen, dass ich keinen kleinen Kreislauf habe.
Gekühlt wird CPU, Chipsatz, Spannungswandler und 2x GPUs.
Pumpe ist Aquastream Ultimate und der Kühler ist der MoRa 2 Pro.

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[euMelBeumel]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Das ist ja genau das, was Faxe meinte. Du hast so viele bremsende Teile im Kreislauf, dass die Bedeutung des Schlauchs vollkommen untergeht. Also wenn du nicht gerade 25/19er oder 6/4er Schlauch installierst, werden da nur schwerlich Sprünge/Einbrüche erkennbar sein.
Aber genau das ist ja der Vorteil und die Intention der Antwort auf den Leserbrief: es ist im Prinzip vollkommen egal wie dick/dünn die Schläuche sind, solange sie gewisse Mindestmaße haben (i.d.R. alles ab 10/8).

 

[Duke711]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Also Egon S. fragt sich, hmm wenn ich den Schlauchdurchmesser erweitere, dann steigt signifikant der Durchfluss, warum ist das so und warum soll das keine Vorteile haben?

Die Reibung nimmt zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit zu, also eine Parabel. Jeder kennt den Steigungsverlauf einer Parabel. Diesen kann man nun einfach mit der mind. Pumpleistung gleichsetzten. Die üblichen Strömungsgeschwindigkeit bewegen sich in Schläuchen(Rohren) < 0,5 m/s und in Kühlern > 0,5 m/s. Wenn man nun z.B 1² setzt dann kommt da keine große Zahl raus. Aber ein 2² oder 3² wird der Sachverhalt immer deutlicher.

Einer weitere Problematik , die Pumpen haben übrigens ein Wirkungsgrad < 50%, es geht eine Menge Abwärme ins Wasser, besonders bei Pumpen mit einem Kunststoffgehäuse.

Dann gilt:

Wärme = Fläche * Wärmeübergangskoeffizient * logarithmische Temperaturdifferenz

1/Wärmeübergangskoeffizient = 1/Wärmedurchgangskoeffizient Wasser + 1/Wärmedurchgangskoeffizient Luft.

Plot der Wärmedurchgangskoeffizienten von Wasser und Luft in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit:

Wasser

http://heattransfer.asmedigitalcoll...rnals/jhtrao/931030/ht_137_01_012601_f017.png

Luft

http://docs.engineeringtoolbox.com/documents/430/air_heat_transfer_coefficient.png

Wie man erkennen kann, geht von der Luftseite nicht viel, setzen wir doch mal konkrete Werte ein:

Wasser 0,5 m/s und Luft mit 5 m/s

1/Wärmeübergangskoeffizient = 1/2800 + 1/28 --> Achtung 1/W... bedeutet Kehrwert.
Wärmeübergangskoeffizient = 27,27

So jetzt verdoppeln wir mal, heißt übrigens vierfache Pumpenleistung bezüglich der Wasserseite

1/Wärmeübergangskoeffizient = 1/4000 + 1/32

Wärmeübergangskoeffizient = 31,75

31,75/27,27 = Steigerung der "Kühlleistung" um 15%, bei vierfacher Pumpenleistung und somit vierfacher Abwärme der Pumpe im Wasserkreislauf. Je nach dem Wirkungsgrad der Pumpe kann hier übrigens nicht mehr von einer effektiven Steigerung sprechen.

So jetzt betrachten wir mal die Wärmebilanz der Kühlkörper:

1/Wärmeübergangskoeffizient = 1/Wärmedurchgangskoeffizient Wasser + Schichtdicke/Wärmleitfähigkeitkoeffizient Materialverbund

Ein CPU erzeugt eine Abwärme von 90 W bei einem Temperaturgradienten von 25K (z.B. Skylake)

Fläche 765 mm² * Faktor ~ 1,5 (Kühler) = 1134 mm²

Wärmeübergangskoeffizient = 3174,6

1/3174,6 = 1/3200 + 0,0016/340

So wenn wir nun wieder die Strömungsgeschwindigkeit vom Wasser verdoppeln, auf 1,6 m/s --> 5000

1/Wärmeübergangskoeffizient = 1/5000 + 0,0016/340

Wärmeübergangskoeffizient = 4885,1 --> 54% Steigerung. Also eine Senkung der CPU Temperatur um 9 K

Diese 9 K müssen aber noch um Abwärme der Pumpe reduziert werden (vierfache Pumpleistung) und 1,6 m/s ist schon eine Hausnummer.

 

[Raketenjoint]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Was ich aus meinem Physikstudium diesbezüglich bisher mitgenommen habe:

• Für eine LANGSAME (laminare) Strömung kann man für runde, geradlinige Leitungen das Hagen-Poiseuille-Gesetz annehmen: Durchflussvolumen ~ r^4 (Verdopplung Rohrdurchmesser -> Versechzehnfachung des Durchflussvolumens).
• Für TURBULENTE Strömungen muss man Wirbel berücksichtigen. Die Navier-Stokes Differentialgleichung habe ich mir aber leider noch nicht angeschaut. Exakt lösbar wird es eh nicht mehr im Gesamtzusammenhang.
• Die Reynoldszahl als grobes Maß für die Turbulenz ist für ein Rohr proportional zum inversen Rohrradius: Re ~ 1/r.
  Turbulenzen verursachen dann einen erhöhten Strömungswiderstand. (Absolute Werte gebe ich nicht an, da diese versuchsabhängig sind.)
• Die Viskosität des Kühlmittels ist die Proportionalitätskonstante zwischen Reibungskraft und Plattenoberfläche, Geschwindigkeitsgefälle. Wer mit Honig rumspielt, kann sich vorstellen, dass dieser in einer Wakü aufgrund seiner hohen Viskosität nicht für hohe Durchflussgeschwindigkeiten sorgen würde.
• Kühler und andere Radiatoren werden vermutlich einen größeren Einfluss spielen.
• Biegeradien verursachen sicherlich auch einen Widerstand. Da größere Schläuche meist keine so kleine Biegeradien haben, wird auch hier entschärft.
• Die Wärmeabfuhr findet hauptsächlich durch den Transport des Kühlmittels und nicht durch Wärmeleitung statt.
• Ich habe mal vor und hinter meines Radiators (Nova)/Kühlers mal Temperatursensoren angeschlossen: Die Temperaturunterschiede liegen innerhalb der Messungenauigkeit dieser trägen und ungenauen Sensoren. Und das trotz meiner schwachen Magicool DCP 450 und den 4*180mm Phobya (@400RPM).

Trotz allem habe ich in meinem Minigehäuse 11/8er Schlauch gelegt. Damit komme ich um alle Kurven und Schlauch & Anschlüsse sind günstiger. Wer die Optik mehr mag, soll sich gerne den größeren Schlauchradius zulegen. Mein Favorit wäre dann aber eher Tubing ...
(Mein Post erinnert mich an eine qualitative Fehlerdiskussion im Protokoll )
Edit: Ups, hätte nicht gedacht, dass so viel schon physikalisch drüber diskutiert wurde. Seht meinen Post eher als Zusammenfassung. Ich versuchte mich nicht auf Zahlen festzusetzen, sondern lieber Tendenzen aufzuzeigen.

 

[amdahl]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Die Reynoldszahl als grobes Maß für die Turbulenz ist für ein Rohr proportional zum inversen Rohrradius: Re ~ 1/r.

Nope. Die gängige Definition ist Re=L*u/v. Oder qualitativ "Trägheitskräfte/Reibungskräfte"
Hier ist L die charakteristische Länge, bei einem vollen kreisrunden Rohr der Durchmesser.
u ist eine Geschwindigkeit, typischerweise die mittlere Geschwindigkeit bei Rohrströmungen.
Und v ist die kinematische Viskosität des Fluides.
Wenn schon dann bitte Re ~ r

Für TURBULENTE Strömungen muss man Wirbel berücksichtigen. Die Navier-Stokes Differentialgleichung habe ich mir aber leider noch nicht angeschaut. Exakt lösbar wird es eh nicht mehr im Gesamtzusammenhang.

Dass dieser Gleichungssatz nicht lösbar ist gilt als unbewiesen. Die Lösbarkeit zu beweisen (in der Praxis werden sie mit unterschiedlichsten Ansätzen numerisch gelöst, unabhängig davon was die Theorie sagt) ist nach wie vor eines der Milennium-Probleme

 

[Grestorn]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

• Die Wärmeabfuhr findet hauptsächlich durch den Transport des Kühlmittels und nicht durch Wärmeleitung statt.

Die Wärmeabfuhr findet NICHT durch den Transport des Kühlmittels statt! Sondern primär durch die Kühlung des Kühlmittels im Radiator. Bei hoher Durchlaufgeschwindigkeit ist das Delta der Temperatur an den Hotspots geringer (sprich, CPU und GPU erhitzen das Wasser weniger stark, weil es schneller vorbei fließt) dafür ist auch das negative Delta am Radiator entsprechend geringer. Wieviel das Gesamtsystem tatsächlich kühlen kann, liegt fast zu 100% nur am Radiator und der dort vorhandenen Kühlleistung.

Wenn mehr als 40-50 l/h fließen ist es fast egal, wie schnell das Kühlmittel fließt. Ein höherer Durchfluss verbessert nicht die Kühlleistung, was ja auch einfach einzusehen ist.

 

[amdahl]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Bei so vielen Unklarheiten hier: kennt jemand zufällig ein 1D Simulations- bzw. Auslegungstool für Wasserkühlungen? Oder muss das alles Pi*Daumen/Mondphase² mit viel Erfahrung geschätzt werden?

 

[PCGH_Torsten]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Aufgrund der großen Anzahl verschiedener Produkte am Markt dürfte niemand die nötigen Kapazitäten haben, um alle in Frage kommenden Bauteile für eine Simulation zu vermessen.

 

[sho_xen]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Aufgrund der großen Anzahl verschiedener Produkte am Markt dürfte niemand die nötigen Kapazitäten haben, um alle in Frage kommenden Bauteile für eine Simulation zu vermessen.

viele modelle von standartbauteilen lassen aber eine gewisse abschätzung zu denke ich. zb gibt es in matlab/simulink eine toolbox namens "carnot", mit der man sowohl thermisch als auch strömungstechnisch so eine geschichte nachbilden könnte. da könnte man dann kennwerte von herstellern eintragen, sofern man sie hat.

 

[PCGH_Torsten]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Die Strömungen innerhalb der Kühler sind sehr komplex (die Wärmeausbreitung in der Kombination Heatspreader/Kühlerboden auch nicht ganz ohne), soweit ich weiß nutzen selbst die Hersteller selbst Simulationen nur für eine grobe Abschätzung und müssen die Details über Prototypen herausarbeiten. Es gibt also keine Kennwerte, erst recht keine öffentlichen.

 

[amdahl]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Es braucht ja nicht zwangsläufig die exakten Kennwerte einzelner Produkte. Ich dachte da eher so an eine Grobauslegung im Sinne von: Was bringt es wenn ich die Pumpe 2 Nummern größer nehme, sollte ich CPU und GPU in Reihe schalten, welchen Einfluss hat die Reihenfolge dann auf die CPU-Temperatur, brauche ich den 480er Radi wirklich...
Aber ich gebe zu, so ein Projekt wäre recht ambitioniert, auch ohne Kennzahlen.

 

[Duke711]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Bei so vielen Unklarheiten hier: kennt jemand zufällig ein 1D Simulations- bzw. Auslegungstool für Wasserkühlungen? Oder muss das alles Pi*Daumen/Mondphase² mit viel Erfahrung geschätzt werden?

Sowas ist in einem halben Tag (Achtung Schleichwerbung) mit Ansys gemacht und anders als die Vermutung von Torsten, kann man die Strömungsformen und Temperaturgradienten mit technisch ausreichender Genauigkeit auflösen. Sogar grafisch besser als im Feldversuch. Denn jede Stromlinie mit der Kamera zu erfassen, grenzt schon einer Unmöglichkeit. Im grafischen Plot kann man dutzende, wer zu Übertreibung neigt - hunderte Stromlinien aufzeigen lassen.

Und es werden auch nur die interessenten Teilgebiete modelliert. Also die Pumpe ist genauso uninteressant, wie die Schläuche. Den Wärmeverlust kann man über Handarbeit ermittelt. Wer es übertreiben möchte, kann dies auch mit 1 1/2 Modellen (Achtung Schleichwerbung) Aspen Plus erschlagen.
Es werden auch nicht ganze Wärmetauscher usw. modelliert, sondern nur Teilschnitte. Beim Kühler ein Viertelschnitt und beim Wärmetauscher nur ein Halbschnitt von einem finiten Rohrsegment mit Lamellenaufsatz.

Aber zurück zum Thema, wenn man keine Kühler entwickelt will, halte ich es für eine Zeitverschwendung und es sollte eigentlich nun jede Unklarheit ausgemerzt sein.

Die eigentliche Frage vom Leserbrief:

Pro

- Der Durchfluss steigt
- somit die Strömungsgeschwindigkeit in den Kühlern (gleichbleibender Querschnitt)
- Die Temperaturdifferenz zwischen Körper und Kühler sinkt.

Contra

- Die Temperaturdifferenz des Wassers nimmt ab
- Somit fällt die Eintrittstemperatur im Wärmetauscher
- Die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz sinkt
- Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt ab und somit verringert sich der Wärmeübergangskoeffizient
- Das Leistungspotenzial des Wärmetauschers nimmt um den fallenden Wert der logarithmischen Temperaturdifferenz * fallenden Wert des Wärmeübergangskoeffizienten ab
- Somit steigt die Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Umgebungstemperatur.

Kann übrigens mit mathematischer Algebra ausreichend auflösen, ab wann dieser Effekt des Wärmetauschers sich negativ auswirkt. Denn bei kleineren Veränderung obliegt erstmal das Pro dem Contra.

Sowas brauch man auch nicht Ansys erschhlagen, unnötig.

 

[amdahl]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Sowas ist in einem halben Tag (Achtung Schleichwerbung) mit Ansys gemacht

Ein parametrisiertes Modell mit dem man mal eben rumspielen kann und verschiedene Konfigurationen ausprobieren? Wage ich zu bezweifeln.
Oder was meinst du genau wenn du "Ansys" schreibst? Bin ehrlich gesagt nicht im Bilde ob die auch Tools für 1D-Auslegungen haben.

 

[Duke711]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Google "Ansys"

1D Modelle kann man sich schenken, dann doch gleich mathematische Algebra oder DGL's per Rechner lösen. Das Carnot Modell in Simulink ist übrigens 1 1/2, aber damit kann man keine Temperaturgradienten und Strömungsformen in einen Kühler plotten, dafür brauch man dann z.B. Ansys.

 

[amdahl]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Ich brauche "Ansys" nicht zu googlen, ich verwende gelegentlich einige ihrer Produkte. Aber danke für den Tipp

 

[sho_xen]

AW: Wasserkühlung: Mehr Kühlleistung mit höherem Schlauchdurchmesser? Leserbrief der Woche

Google "Ansys"

1D Modelle kann man sich schenken, dann doch gleich mathematische Algebra oder DGL's per Rechner lösen. Das Carnot Modell in Simulink ist übrigens 1 1/2, aber damit kann man keine Temperaturgradienten und Strömungsformen in einen Kühler plotten, dafür brauch man dann z.B. Ansys.

ich nehme mal an, dass hier niemand lust drauf hat 3d-Modelle mit entsprechenden Meshs von Kühlern mit Komplexerer Geometrie zu erzeugen, es geht um Auslegung von Komponenten, Volumenströmen und Druckverlusten/Einbauten, aber es stimmt schon, man müsste erst mal an entsprechende Kennwerte der verwendeten Komponenten kommen.. daran könnte es scheitern.