Fluiddynamik und Thermodynamik

[Heiner C. Stanzel - tQ]

Hallo!

Ich habe folgendes Problem. Es geht um die Kühlung mit Wasserkühlern.

Mein Auftraggeber hat mich mit Fragen traktiert, die meinen Horizont
überschreiten. :-/

Was genau ist der "Wärmeleitkoeffizient"? Google war mir diesbezüglich
nicht sehr wohlgelitten <seufz>

Klar, bei Kupfer z.B. liegt dieser bei 380-400 W/(m*K).
Wie sieht das allerdings bei dem Wärmeübergang zwischen Kupfer und
Wasser aus? Angeblich wird das typischerweise für Flüssigkeiten mit
dieser Formel angegeben:
W/K*(const+sqrt((dV/dt)/(m^3s^-1)))
Leider hilft mir persönlich das GAR nicht weiter und ich verstehe nur
Bahnhof. :-(

Die Reynoldszahl:

Diese wird ja zur Berechnung des Übergangs von einer laminaren zu
einer turbulenten Strömung benutzt. Ist diese wichtig, wenn ich einen
Schlauchdurchmesser von 10mm habe und der Durchmesser des Kühlkanals
im Kühler ebenfalls 10mm beträgt?

Die Nußlet-Zahl:

Laut dieser Seite hier:
http://www.unister.de/Unister/wissen/sf_lexikon/ausgabe_stichwort29131_367.html
wird die Nußlet-Zahl folgendermaßen bestimmt:
(hier kommt normalerweise das bild von obigem link rein (die formel)

Sagt mir leider relativ wenig. Was ist der Wärmeübertragungsstrom und
was der Wärmeleitstrom?

Danke im Vorraus für die Antworten (bin für alles Dankbar :-)

Gruss,
Heiner S:

[Roland Damm]

Moin,

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
Ich habe folgendes Problem. Es geht um die Kühlung mit
Wasserkühlern.

Doch wohl nicht schon wieder ein Overclocker hier:-)

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
Mein Auftraggeber hat mich mit Fragen traktiert, die meinen
Horizont überschreiten. :-/
Was genau ist der "Wärmeleitkoeffizient"? Google war mir
diesbezüglich nicht sehr wohlgelitten <seufz>

Na ist doch nahelieged. Stück Metall, rechts und links sind
unterschiedliche Temperaturen, es fließt Wäreme. Wie viel ist
von der Temperaturdifferenz abhängig (linear), von der Fläche,
durch die die Wärme fließen kann und von dem Material. Wärme
pro Zeit ist Leistung, also Watt. Ergo:
Leistung=Faktor*Fläche*Temperaturdifferenz.

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
Klar, bei Kupfer z.B. liegt dieser bei 380-400 W/(m*K).
Wie sieht das allerdings bei dem Wärmeübergang zwischen
Kupfer und Wasser aus? Angeblich wird das typischerweise für

Chaotisch:-)

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
W/K*(const+sqrt((dV/dt)/(m^3s^-1)))
Leider hilft mir persönlich das GAR nicht weiter und ich
verstehe nur Bahnhof. :-(

Na was denn, einfach einsetzen und gut ist:-) Na gut,
vieleicht hilft dir die äquivalente Formel aus dem Kuchling
weiter: \alpha=350+210*sqrt(v / (m/s)) * W/m^2/K
für Wasser, oder auch für Luft:
\alpha=5.6+4*v

Wie man sieht, man sieht nichts. Das ganze ist hochgradig
empirisch.

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
Diese wird ja zur Berechnung des Übergangs von einer
laminaren zu einer turbulenten Strömung benutzt. Ist diese
wichtig, wenn ich einen Schlauchdurchmesser von 10mm habe und
der Durchmesser des Kühlkanals im Kühler ebenfalls 10mm
beträgt?

Für die Reynoldszahl braucht du noch die Viskosität von Wasser
und die Stömungsgeschwindigkeit. Und um zu einem Ergebnis zu
kommen brauchst du noch einen gut begründeten Schätzwert in
der Größenodnung 0.1 ... 100.

Also klar ist, daß es laminare und turbolente Rohrströmungen
gibt. Klar ist, daß das wichtig ist, denn turbolente
Strömungen sind besser zum Kühlen geeignet, weil sich dann ja
das Wasser besser durchmischt. Unklar ist die Rauhigkeit der
Oberfläche. Und vor allem ist unklar, welche Geometrie
vorliegt. Eine turbolente Strömung wird so schnell nicht
wieder laminar aber schon ein zu enger Rohrbogen kann
turbolenz erzeugen. Und dahinter bleibt die Strömung dann
turbolent, auch wenn Re<2300 ist.
http://www.unister.de/Unister/wissen/sf_lexikon/ausgabe_stichwort29131_367.html

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
(hier kommt normalerweise das bild von obigem link rein (die
formel)
Sagt mir leider relativ wenig. Was ist der
Wärmeübertragungsstrom und was der Wärmeleitstrom?

Es geht wohl vermutlich ungefähr um folgendes: Ein System,
sagen wir ein Rippen-Wärmetauscher muß zwei Dinge tun: Wärme
durch die Rippen leiten und Wärme an das Kühlmedium abgeben.
Das Verhältnis der beiden ist diese Nußelt-Zahl. Wenn bei zwei
Systemen die Nußelt-Zahl gleich ist, dann bedeutet das, daß
sie sich ähnlich (gleich) verhalten. Also ein kleiner
Kühlkörper bringt die gleiche Temperaturdifferenz wie ein
großer, wenn deren beider Nußeltzahlen überein stimmen (oder
so).

Vieleicht schilderst du das Problem mal etwas genauer, dann
können bstimmt auch Leute, die nicht wie ich in Thermo
durchgefallen sind:-) es genauer beantworten:-)

CU Rollo

[Uwe Sternlitz]

Da ich zum gleichen Verein gehöre wie Heiner C. Stanzel werde ich mal
drauf eingehen ;-) Danke zunächstmal für die Antwort.

Post by Roland Damm
Moin,

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
Ich habe folgendes Problem. Es geht um die Kühlung mit
Wasserkühlern.

Doch wohl nicht schon wieder ein Overclocker hier:-)

jaaa, von Grund auf schon - allerdings geht es hier um etwas anderes
;-)

16 Peltierelemente mit 20*40mm. Jedes produziert 50W/cm^2. Das
bedeutet also 6,4kW im gesammten System entstehen - welche natürlich
abzuführen sind. Und der Auftraggeber will allemöglichen Berechnungen
anstellen...

Weiss jemand, wie groß ein Radiator sein müsste, um 6.4kw bei
belüftung auf Zimmertemperatur runterzukühlen?

Wenn ich einen Schlauchdurchmesser von 10mm habe und ein dann ein
kühler kommt. Dieser hat jeweils 10 einzelne Kanäle. wenn man jetzt
den durchsatz des schlauchs (kreisinhalt afaik r^2*pi) mit den 10
kanälen gleichsetzt, hätte ich ja kein zu großen Gegendruck -
allerdings durchaus einen Gegendruck. Dieser würde mir helfen, die
Geschwindigkeit in den 10 Kanälen zu erhöhen und das Wasser schneller
abzutransportieren. Kann man einen dabei entstehenden Gegendruck
ausrechnen? Wenn ja, wie? Es geht um die Dimensionierung der Pumpe.
Klar würden bei dem Aufbau einige Kühler parallel geschaltet werden -
doch will ich keine 16 kühler parallel schalten ;-)

Bis dann, und danke schonmal,

Uwe

[Roland Damm]

Moin,

Post by Uwe Sternlitz

Post by Roland Damm

Post by Heiner C. Stanzel - tQ
Ich habe folgendes Problem. Es geht um die Kühlung mit
Wasserkühlern.

Doch wohl nicht schon wieder ein Overclocker hier:-)

jaaa, von Grund auf schon - allerdings geht es hier um etwas
anderes ;-)
16 Peltierelemente mit 20*40mm. Jedes produziert 50W/cm^2.
Das bedeutet also 6,4kW im gesammten System entstehen -
welche natürlich abzuführen sind. Und der Auftraggeber will
allemöglichen Berechnungen anstellen...

Du willst eine Cray overclocken:-) Na gut, wenns denn sein
muß...

Post by Uwe Sternlitz
Weiss jemand, wie groß ein Radiator sein müsste, um 6.4kw bei
belüftung auf Zimmertemperatur runterzukühlen?

Was wohl klar sein dürfte: Mit Raumluft kannst du nichts auf
Zimmertemperatur abkühlen. Angenommen 1k Temperaturdifferenz
sind erelaubt, dann brauchts bei Luft und einer
Strömungsgeschwindigkeit von 1m/s runde 650m^2
Wärmetauscherfläche (um die 6.5kW loszuwerden):-)

Dein Problem ist eventuell nicht nur das Problem der
Wasserkühlung, sondern auch noch das Problem, das warme Wasser
wieder runterzukühlen.

Post by Uwe Sternlitz
Wenn ich einen Schlauchdurchmesser von 10mm habe und ein dann
ein kühler kommt. Dieser hat jeweils 10 einzelne Kanäle. wenn
man jetzt den durchsatz des schlauchs (kreisinhalt afaik
r^2*pi) mit den 10 kanälen gleichsetzt, hätte ich ja kein zu
großen Gegendruck - allerdings durchaus einen Gegendruck.
Dieser würde mir helfen, die Geschwindigkeit in den 10
Kanälen zu erhöhen und das Wasser schneller
abzutransportieren. Kann man einen dabei entstehenden
Gegendruck ausrechnen? Wenn ja, wie? Es geht um die
Dimensionierung der Pumpe. Klar würden bei dem Aufbau einige
Kühler parallel geschaltet werden - doch will ich keine 16
kühler parallel schalten ;-)

Hmm, also mit den Formelchen für Rohrströmung zu rechnen,
halte ich hier für mit Spatzen auf Kanonen geworfen. Jeder
Schlauchanschluß, jede Rohrkrümmung macht dir auf
unvorhersehbare Weise die Rechnung kaputt. IMO hilft wirklich
nur ausprobieren. Artverwante Eigenerfahrung: Kühlmaschine mit
300W Stromaufnahme und einer Wasserpumpe an 1mm-Leitung hat
üblicherweise eine Pumpe von 100W die als mehrstufige
Flügelradpumpe ausgelegt ist. Allerdings auch um auf geringste
Temperaturdifferenz zu kühlen.

Also welchen Wasserdurchsatz du brauchst, kannst du ja leicht
abschätzen. Wassertemperaturdifferenz, die erlaubt sein soll
mal ein paar faktoren,... bei 10K Temperaturdifferenz des
Wassers komme ich auf runde 10l/minute. Jetzt willst du
allerdings wissen, welchen Druck die Pumpe bei diesem
Volumenstrom liefern muß. Das ist ein frommer Wunsch, da es
praktisch schwierig ist, den Druck einer Pumpe
herauszubekommen. Prakisch wird immer nur die max. Förderhöhe
(=Druck ohne Volumenstrom) und der Volumenstrom ohne Druck
angegeben. Dazwischen (wo du dich bewegst) wird's schwer.

Wenn die Kühlkörper schon vorhanden sind, dann ist es sicher
das Beste, deren Widerstand einfach auszutesten. Einfach mal
abstoppen, wie lange ein 10l-Eimer mit 1m Höhenunterschied da
durchläuft. Dann kann man umrechnen mit
Druckdifferenz~Volumenstrom^4. So eine Bastelmessung ist
bestimmt genauer, als eine Rechnung.

CU Rollo