Sommetje over koeling en airflow

[BartS12]

Heeft iemand wel eens een sommetje gemaakt over wat de koel-capaciteit van z'n airflow nou eigenlijk is? Ik werd namelijk steeds nieuwsgieriger naar de achtergrond van getallen (temperaturen, vermogen van processoren etc) die ik in dit forum langs zie komen.De gedachte: (vrijwel) alle warmte die je in je case maakt, moet er door fans uitgeblazen worden. Klopt dit in praktijk een beetje?

Het volgende geldt namelijk:
airflow (m3/h) * delta T (uit - in) * warmtecapaciteit lucht (~800 J/K.m3) / 3600 (sec/h) = afgevoerd vermogen.In mijn geval (Q6600, stock speed, idle ) heb ik de volgende getallen:

Antec casefan @ low speed: 21 cfm = ~33 m3/h
Kamer temperatuur = temperatuur van lucht die PC in gaat : ~20C
Temperatuur aan achterkant PC = temp van lucht die PC verlaat: ~40C ---> dT = 20C

Conclusie: totaal afgevoerd vermogen = 33 *20 * 800 / 3600 = ~147 Watt.
Ik vind het wat veel voor idle, maar het kan kloppen.

Wat mij nou verbaast: ik zie regelmatig posts van mensen die een zwaar overgeklokte Q6600 o.i.d. @ full load, zo rond de ~45C weten te houden. Dan is de lucht die uit je PC komt zo rond de 35-40 graden. Let wel, dan wordt er dus ruim 100W extra verstookt in zo'n PC, ofwel zo'n 65% extra!

Hoe lost men dit op? Draaien de fans veel harder, setting 'stofzuiger' (~55 m3/h?) Of is de kamertemperatuur geen 20 maar slechts 5 graden (en dus dT = 35 graden)?

Iemand een reactie op deze beschouwing?

[Zsub]

Je hebt - voor zover ik er verstand van heb - de klok wel horen luiden maar hebt de klepel nog niet ontdekt. Het is natuurlijk niet alleen je CPU die de lucht verwarmt. Ook je grafische kaart, je voeding, de chips en condensatoren en spanningsregulatoren op je moederbord en de draaiende harde schijven dragen daar aan bij.

De mensen die dat lukt kunnen een processor uit een 'goede' batch hebben. Die wil ver klokken zonder extreem heet te worden. Vriend van me heeft een E6600 die maar enkele graden boven de kamertemperatuur wordt. Bovendien moet je je niet verkijken op de daadwerkelijke luchtstroom door je kast. Er zijn veel onderdelen die het geheel sub-optimaal (om het maar eens niet te overdrijven ) maken.

Dus je hebt in principe wel gelijk, maar het ligt toch nét iets gecompliceerder

[Bigbadkip]

Je kast zelf, mits van bijvoorbeeld alu, geeft ook een hoop warmte al vanzelf af aan de buitenlucht + de bovengenoemde factoren maken je formule wel correct, maar niet realistisch.

[Verwijderd]

Ik ben het met Zsub eens,
op zich vind het een leuk idee om je ook eens te verdiepen in een formule enzo, en is opzich niet eens verkeerd, maar er zijn inderdaad net iets meer factoren die meespelen om dat accuraat te berekenen, en juist daar wordt het lastig.

[BartS12]

Mww, een korte extra toelichting dan. Ik heb de klepel ook wel ontdekt, maar niet meteen in m'n startpost verwerkt

- De CPU is inderdaad niet het enige onderdeel dat de kast verwarmt. Als dat wel zo was, is 147W voor 'idle' natuurlijk belachelijk. Daar komen de videokaart, de harddisks, het geheugen en het moederbord natuurlijk bij. Dan is 147W misschien aannemelijk, alhoewel nog steeds erg hoog. De schatting van ~100W extra voor full load is de TPD van een Q6600 (full load -/- idle).

- Ja, de kast geeft ook warmte af aan de omgeving. Ik heb het niet vermeld, maar mijn inschatting was dat dit vrijwel verwaarloosbaar is. Waarom? Twee redenen:
(1) Het temperatuur verschil met de omgeving is niet groot. De lucht in de kast zit gemiddeld zo'n 10 graden boven kamertemperatuur (nul bij de inlaat, 20 bij de uitlaat). Door de behuizing heen zal er met zo'n kleine dT erg weinig warmte lekken.
(2) Het temperatuurverschil aan de buitenkant is vrij klein, zodat er niet snel convectie ontstaan. De overdracht van energie naar de lucht op deze manier is dus gering. Voorzichtige schatting (college fysische transportverschijnselen op de TU is lang geleden ) : zo'n 10W

Let wel, voor delen van het sommetje is het niet (direct) van belang hoe heet je CPU wordt. Als ie op full load maar 75W verstookt (ipv 100), moet die 75W toch naar buiten. Daar gaat het sommetje over. Hoe *warm* je CPU daarbij wordt, hangt daarna heel erg af van je luchtstroom, de kwaliteit van je koeler, etc.

Dit is natuurlijk ook een leuke vraag, ongeacht je CPU: hoeveel Watt trekt jouw CPU (extra) op full load? Een CPU die hard klokt, is -waarschijnlijk- een CPU die minder warmte genereert per kloktik. Bij meer kloktikken per seconde (=harder lopen) komt er dan evenveel warmte per seconde vrij.

Maar.... het kan natuurlijk ook dat zo'n CPU helemaal niet efficienter is, maar wel z'n warmte veel beter kwijt kan. Dan kan je 'm veel harder laten lopen (en dus ook meer vermogen verstoken ), zonder dat ie extreem heet wordt.

Blijft staan dat het een ruwe, eerste schatting is. Allerlei variabelen kan ik nog rustig een factortje naast zitten. Warmtecapaciteit van de lucht hangt serieus af van de luchtvochtigheid, airflow is natuurlijk nooit precies gelijk aan de spec van de fan, etc etc. Ik heb bovenstaand sommetje dan ook niet bedoeld als 'waarheid'; hooguit als "orde-grootte-schatting", voor de fun.

[Seesar]

BartS12 schreef op dinsdag 18 december 2007 @ 18:33:
Mww, een korte extra toelichting dan. Ik heb de klepel ook wel ontdekt, maar niet meteen in m'n startpost verwerkt

- De CPU is inderdaad niet het enige onderdeel dat de kast verwarmt. Als dat wel zo was, is 147W voor 'idle' natuurlijk belachelijk. Daar komen de videokaart, de harddisks, het geheugen en het moederbord natuurlijk bij. Dan is 147W misschien aannemelijk, alhoewel nog steeds erg hoog. De schatting van ~100W extra voor full load is de TPD van een Q6600 (full load -/- idle).

- Ja, de kast geeft ook warmte af aan de omgeving. Ik heb het niet vermeld, maar mijn inschatting was dat dit vrijwel verwaarloosbaar is. Waarom? Twee redenen:
(1) Het temperatuur verschil met de omgeving is niet groot. De lucht in de kast zit gemiddeld zo'n 10 graden boven kamertemperatuur (nul bij de inlaat, 20 bij de uitlaat). Door de behuizing heen zal er met zo'n kleine dT erg weinig warmte lekken.
(2) Het temperatuurverschil aan de buitenkant is vrij klein, zodat er niet snel convectie ontstaan. De overdracht van energie naar de lucht op deze manier is dus gering. Voorzichtige schatting (college fysische transportverschijnselen op de TU is lang geleden ) : zo'n 10W

Let wel, voor delen van het sommetje is het niet (direct) van belang hoe heet je CPU wordt. Als ie op full load maar 75W verstookt (ipv 100), moet die 75W toch naar buiten. Daar gaat het sommetje over. Hoe *warm* je CPU daarbij wordt, hangt daarna heel erg af van je luchtstroom, de kwaliteit van je koeler, etc.

Dit is natuurlijk ook een leuke vraag, ongeacht je CPU: hoeveel Watt trekt jouw CPU (extra) op full load? Een CPU die hard klokt, is -waarschijnlijk- een CPU die minder warmte genereert per kloktik. Bij meer kloktikken per seconde (=harder lopen) komt er dan evenveel warmte per seconde vrij.

Maar.... het kan natuurlijk ook dat zo'n CPU helemaal niet efficienter is, maar wel z'n warmte veel beter kwijt kan. Dan kan je 'm veel harder laten lopen (en dus ook meer vermogen verstoken ), zonder dat ie extreem heet wordt.

Blijft staan dat het een ruwe, eerste schatting is. Allerlei variabelen kan ik nog rustig een factortje naast zitten. Warmtecapaciteit van de lucht hangt serieus af van de luchtvochtigheid, airflow is natuurlijk nooit precies gelijk aan de spec van de fan, etc etc. Ik heb bovenstaand sommetje dan ook niet bedoeld als 'waarheid'; hooguit als "orde-grootte-schatting", voor de fun.

je vergeet wel dat de kast significant meer oppervlak heeft dan een koelblokje. D.w.z. dat dT mss maar 5 graden, een oppervlak van 10 keer zo groot betekent dat dus voorzelfde "hoeveelheid" warmte in een koelblok dus temp verschil 50 graden is (heel lomp gezegd)....d.w.z. afgegeven warmte aan omgeving heeft meerder factors waaronder

dT * koeloppervlak. Dus als dT heel klein is, maar koeloppervlak heel groot dan heb je nog steeds evenveel koel vermogen.

Overigens zorgt de trek door opstijgende warmte ook al voor lucht verplaatsing en dat de kast heel veel warmte kan opnemen totdat deze een balance heeft gevonden tussen warmte opnemen en warmte afgeven.

[Verwijderd]

Die "stofzuiger stand" valt wel mee. Ik heb op mijn waterkoeling 2 * 80m³/uur fans draaien, dus 160m³/uur. Daarnaast gaat door de kast zelf nog eens 80m³/uur en daar hoor je vrij weiing van. Licht gewoon aan de kwaliteit van je fans.

[Kuhlie]

Je zegt dat je fan 21 cfm doet. Dat is de opgegeven waarde, maar dit kan natuurlijk doordat het 'moeilijk' is de lucht af te voeren minder zijn. Vul een lagere waarde in en hopla, je hebt het ineens over veel minder watt.

Als je wilt weten hoeveel watt je pc gebruikt is het handiger een watt-meter te pakken dan te proberen te kijken hoeveel lucht er hoeveel wordt opgewarmd

Edit: verder zeg je "Dan is de lucht die uit je PC komt zo rond de 35-40 graden.". Waar heb je dat vandaan?

[ Voor 12% gewijzigd door Kuhlie op 18-12-2007 18:53 ]

[BartS12]

Edit: verder zeg je "Dan is de lucht die uit je PC komt zo rond de 35-40 graden.". Waar heb je dat vandaan?

Ehm, gebaseerd op 1 meting, hier aan mijn pc Een Sonata III, met dus die Q6600. Ik heb een klein thermometertje dat direct voor de exhaust fan aan de achterkant hangt, vol in de 'wind'. Op het moment geeft die 30.5C aan, terwijl speedfan voor de CPU op hetzelfde moment 42C geeft. 12 graden lager dus.

Ik had ook eigenlijk " maximaal 35-40" moeten zeggen. Hoe je het ook wendt of keert, er is altijd een behoorlijke dT tussen CPU en lucht die naar buiten gaat, vanwege de warmteweerstand in dat hele traject. 5-10 graden lijkt mij wel een minimum.

Stel nu dat een CPU @ full load 45 graden is, en de dT net zoals bij mij 12C is, dan komt er dus lucht van 33C naar buiten. Dat is relatief weinig boven kamertemperatuur (kleine dT), en daaarmee wordt dus het vermogen afgevoerd. Dat kan eigenlijk maar 1 ding betekenen: veel lucht!

Verder ben ik het er ook wel mee eens dat die schatting van 10W voor de kast wat aan de lage kant is. Gelukkig is dat voor iedereen bijna hetzelfde; daar zit veel minder verschil in dan in de airflow. Hooguit is het *beter* voor een kast met een waardeloze airflow; die wordt immers veel warmer van binnen, en daardoor is dT met 'buiten' groter

Nou ja, om het af te ronden: het is allemaal natte-vinger werk, en ook niet bedoeld om nou echt het vermogen te meten. Hooguit is het een leuke manier om voor 1 PC het verschil in airflow af te schatten tussen 'idle' en load. Airflow, kast, koeler, etc zijn dan allemaal hetzelfde; het enige verschil is nog dat je (afhankelijk van je CPU) zo'n 100W extra kwijt moet. Dat gaat maar op 2 manieren: of veel meer lucht (=meer lawaai), of warmere lucht naar buiten blazen (=per definitie warmere CPU).

[BartS12]

dT * koeloppervlak. Dus als dT heel klein is, maar koeloppervlak heel groot dan heb je nog steeds evenveel koel vermogen.

Helemaal waar, maar er telt nog meer mee. Als ik mij goed herinner:
Warmteflux = - dT * koeloppervlak * lambda (=warmteweerstand)

De warmteweerstand naar de buitenlucht, door de kast heen, bestaat uit de weerstand van het (meestal) staal zelf, en de overdracht naar de lucht. Die van staal is makkelijk op te zoeken (constante), maar die van de overdracht naar lucht is wat gecompliceerder. Hangt namelijk af van zaken als vorm, orientatie, geforceerde koeling ja/nee, convectie, grenslagen, etc etc.

Mocht ik ooit nog eens zin hebben om dat op te zoeken maak ik het sommetje wel een keertje af. Begin nou toch nieuwsgierig te worden... Alhoewel ik me toch niet voor kan stellen dat al die high-tech fans net zoveel doen als gewoon 'domweg' door de kast naar buiten

[Mr_gadget]

Mocht je het echt leuk vinden dan kan ik het boek "basic heat and mass transfer" van Mills aanbevelen
Als je het goed wilt uitrekenen wordt het idd lastig, je moet trouwens ook nog meenemen of de stroom laminair of turbulent is (scheelt een hoop). Je waarde voor de warmtecapaciteit kan je ook wat hoger nemen deze is op kamertemperatuur rond de 1200 J/K.m3

[heuveltje]

Je vergeet trouwens ook de fan uit je voeding in dit verhaal.
Daarnaast klopt dit natuurlijk gevoelsmatig ook al niet.
Want als je die fan stilzet zal je kast wel warmer worden, maar niet zo heet dat ie meteen afslaat
Terwijl "afgevoerd vermogen" = dan opeens een deling door nul oplevert

[BartS12]

Als het goed is staan de juiste boeken hier nog in de kast, ergens... (TU natuurkunde, daar is het wel langs gekomen. 't is alleen een beetje lang geleden )

De fan in de voeding heb ik bewust buiten beschouwing gelaten (verwaarloosd). Reden: ik heb ook het extra vermogen wat daarin gedissipeerd wordt weggelaten. (de 20% verschil tussen 80 en 100%) Ook nogal kort door de bocht, ik weet het. Het was nou eenmaal een snel sommetje; meer een exercitie om eens wat gevoel te krijgen voor de orde van grootte van allerlei zaken

Delen doe ik geloof ik nergens, dus ook niet door nul. Maar het idee (zet je fan eens stil) brengt me wel op een idee. Gedachtenexperiment natuurlijk; ik waag mijn PC hier ieder geval niet aan.

*ALS* je je casefan uitzet, moet alle vermogen wel door de kast heen naar buiten. In ieder geval gaat de energie niet meer met een luchtstroom mee. Stel nu dat 50% van het vermogen door de kast gaat *met fan*. Dan moet dT precies 2* zo groot worden om 100% door de kast naar buiten te laten gaan (zonder fan).

Normaal is de dT tussen 'binnen' en buiten een graad of 20? Kamertemperatuur 20C, in je kast 40? Dan zou er dus zonder fan een dT van 2*20 = 40 moeten zijn, om evenveel vermogen af te voeren. 20 graden hoger in je kast dus; rond de 60. Je CPU wordt dan simpelweg ook die 20C 'opgetild', en wordt dus rond de 65. Moet net kunnen, toch?

En toch denk ik niet dat iemand zo stom zal zijn om moderne dikke CPU zonder casefan op full load te laten lopen. Daar komt rook uit. Ergo.... de aanname dat er 50% door je kast gaat, is veel te hoog.

edit:

Want als je die fan stilzet zal je kast wel warmer worden, maar niet zo heet dat ie meteen afslaat

. Klopt. De gehele bovenstaande beschouwing (vanaf mijn eerste post dus), gaat uit van 'steady state'. Dan maakt de warmtecapaciteit van alle onderdelen niet uit.

Als je de fan opeens stil zet, is er geen sprake (meer) van een steady state. Hoe lang het dan duurt voordat de temperatuur een nieuwe steady state bereikt, is onder andere afhankelijk van die warmtecapaciteit.

[ Voor 36% gewijzigd door BartS12 op 19-12-2007 00:54 ]

[Jejking]

Meh... you mind if I skip the rekensom?

Ik zeg: aanlaten die casefan. Kamertemperatuur wil trouwens ook nog wel eens een handje helpen. En wat betreft die CPU: het lijkt me dat hij nog steeds hetzelfde ''rendement'' heeft, het verbruik gaat over het algemeen lineair omhoog met de kloksnelheden. Of je moet tegen de limiet van je proc aanlopen natuurlijk, met extra voltage gaat het dan skyhigh.

[BartS12]

het verbruik gaat over het algemeen lineair omhoog met de kloksnelheden. Of je moet tegen de limiet van je proc aanlopen natuurlijk, met extra voltage gaat het dan skyhigh

In principe verwacht je inderdaad dat het vermogensverbruik evenredig is met f*C*V^2. Oftewel, lineair met f(requentie), kwadratisch in V(oltage). Vandaar dat een beetje onderklokken leuk helpt om het koel te houden, en een overvolt er zo hard inhakt