[BC3] rekenen aan waterkoeling

[Knutselsmurf]

Ik zit hier wat te rekenen aan een waterkoeling en ik vraag mij nu af hoe groot het effectieve koelende oppervlak is van een blok. Wie kan daar iets nuttigs over zeggen?

[Aikon]

De binnenkant van de buizen, denk ik. Er zijn iets van 4 buisjes van 5 cm. Dus 20 cm buis, met een doorsnede van 1 cm ofzo. Dat valt dan wel uit te rekenen. Alleen ff geen zin in

[Knutselsmurf]

OK, met bovenstaande gegevens even een kort overzicht van mijn berekeningen.

Hiervoor ben ik uitgegaan van de volgende veronderstellingen en formules:

1) Het systeen bevindt zicht in een stationaire toestand. Dit betekent dat alle componenten een constante temperatuur hebben.

2) Het temperatuurverschil over de dikte van de bodem is verwaarloosd.

3) Het koelwater komt op kamertemperatuur (20 graden) het blok binnen.

4) Voor de warmteoverdracht tussen het koelblok en het water geld de volgende vergelijking: Q=Delta_T*A*alpha, met A het effectieve koeloppervlak, alpha de warmteoverdrachtscoefficient, Delta_T het temperatuurverschil tussen het water en het koelblok en Q de hoeveelheid warmte die op het water wordt overgedragen.

5) Voor de temperatuurstijging van het water geldt de volgende formule: Delta_T=Q/(c*m), met Delta_T de temperatuurstijging, Q de hoeveelheid toegevoerde warmte,c de soortelijke warmte en m de massa.

6) Ik ben uitgegaan van een ge-oc''de processor met peltier, die samen 250 W stoken.

Verder getallen: c van water is 4.18 J/(g K). alpha=1000 W/(m^2 K)

Nu aan het rekenen:
De 250 W die er geproduceerd worden volledig omgezet in een temperatuurstijging van het water in het blok. Stel nu dat het water in het blok 1 graad in temperatuur mag stijgen. Dan is een hoeveelheid water nodig van: m=Q/c=250/4.18=59.8 g/s. Met de dichtheid van water van 1 kg/l komt dit op 0.06 l/s is 215 liter per uur. Als een temperatuurstijging van 2 graden wordt toegestaan dan is er dus maar 107.5 l/uur nodig.

Volgende stap: De warmteoverdracht van het koelblok op het water:
Q=Delta_T*A*alpha. Er is voorlopig gekozen voor een A van 50 cm^2, dus 0.005 m^2. Met Q is 250 W, A = 0.005 m^2 en alpha=1000 W/(m^2 K) kom ik op een Delta_T tussen het water en het koelblok van 50 graden. Ervan uitgaande dat het water op kamertemperatuur (20 graden) is, betekent dit dus dat het koelblok 70 graden is.

De belangrijkste reden van deze berekeningen was om eens te kijken wat het knelpunt is bij waterkoeling. Mijns insziens is dat het effectieve koeloppervlak van het blok. Het heeft dus meer zin om dit oppervlak te vergroten, dan om de hoeveelheid water per uur te vergroten.

Na deze lap tekst wil ik iedereen vragen om commentaar, om op die manier tot een effectief ontwerp voor een waterkoeling te komen.

[Verwijderd]

1) Het systeen bevindt zicht in een stationaire toestand. Dit betekent dat alle componenten een constante temperatuur hebben.

Bij gebruik van een radiator en een voldoende hoog debiet is dat een correcte aanname.

2) Het temperatuurverschil over de dikte van de bodem is verwaarloosd.

Dat zou ik dus niet doen. Zeker bij 250W is dit verschil niet meer te verwaarlozen. Zie het ''betekenis W/m/K'' topic dat ik ooit gepost heb.

3) Het koelwater komt op kamertemperatuur (20 graden) het blok binnen.

Hmm, met een hele grote radiator......

alpha=1000 W/(m^2 K)

Dit lijkt me rijkelijk aan de lage kant. Hoe hoog precies die alpha is weet ik niet, maar 100kW /(m^2 K) komt al meer in de richting, en dan zit je nog laag volgens mij.

De belangrijkste reden van deze berekeningen was om eens te kijken wat het knelpunt is bij waterkoeling. Mijns insziens is dat het effectieve koeloppervlak van het blok. Het heeft dus meer zin om dit oppervlak te vergroten, dan om de hoeveelheid water per uur te vergroten.

De knelpunten zijn, op volgorde van belangrijkheid:

- Warmteafgifte water->ambient. De radiator dus
- thermische weerstand tussen de ''CPU die'' (chip zelf) en het waterblok of peltier.
- water<->koper contactoppervlak.

Het aantal liter/uur is niet zo belangrijk dus.


Ik ben ook al een tijdje bezig met het uitzoeken hoe eea nou precies werkt in een waterkoelingssysteem. Zoek even naar mijn oude topics, en kijk of je wat bruikbaars vind.

[Knutselsmurf]

Op donderdag 26 april 2001 23:18 schreef DaBit het volgende:

[..]

Dit lijkt me rijkelijk aan de lage kant. Hoe hoog precies die alpha is weet ik niet, maar 100kW /(m^2 K) komt al meer in de richting, en dan zit je nog laag volgens mij.
[..]

Die alpha is toch echt ongeveer 1000 W /(m^2 K). Om precies te zijn, volgens het polytechnisch zakboekje tussen de 580 en 2300, voor water in een geforceerde stroming.

[Verwijderd]

O jeetje. Thermodynamica. jammie

[Verwijderd]

Op donderdag 26 april 2001 23:32 schreef Knutselsmurf het volgende:

[..]

Die alpha is toch echt ongeveer 1000 W /(m^2 K). Om precies te zijn, volgens het polytechnisch zakboekje tussen de 580 en 2300, voor water in een geforceerde stroming.

Sorry, ik geloof er niks van. Dat zou betekenen dat, als je 1kW warmte homogeen over 1 m^2 metalen plaat verdeelt, en daar water over laat stromen, dat dan je tempverschil tussen plaat en water 1K is?

No way. Mijn huidige waterblok-in-wording geeft nog geen krimp als ik er een dikke gasbrander onder houd. Dat scheelt onvoldoende om te kunnen voelen. Zeg dat ik daarmee 1kW aan vermogen over kan brengen op het blok. Waarschijnlijk meer. En dat blok heeft echt geen intern oppervlak van 1 m^2 (maar wel groot). Ik schat (heel ruw) zo''n 400 cm^2 oppervlak ofzo.

[Knutselsmurf]

Nee. subtiel verschil in betekenis. Die alpha betekent dat als er een temperatuurverschil is van 1 graad tussen de plaat en het water, dat er dan 1KW aan warmte uitgewisseld kan worden tussen de plaat en het water.

[Verwijderd]

Ja, da''s gewoon het plaatje van de andere kant bekijken. Maar dan nog geloof ik niet dat 1000 het correcte getal voor alpha is. Er moet ergens anders iets niet kloppen.

[Knutselsmurf]

Om even jouw voorbeeld erbij te halen. Alle energie die je met je gasbrander aan het waterblok toevoert, wordt niet direct doorgegeven aan het water. Voel maar eens het temperatuurverscil tussen het water in het blok en het blok zelf. Het effect dat jij beschrijft heeft ook nog te maken met de soortelijke warmte van water. Als je 4 KW aan energie toe zou voeren aan 1 liter water, heeft dat slechts een temperatuurstijging van het water van 1 graad tot gevolg.

Als vergelijking, zet een pan water op het vuur en steek na een tijdje je vinger in het water. (voorzichting ) De bodem van de pan, die een tijdje boven de vlam heeft gehangen, zal echter ietsje warmer zijn, waarschijnlijk zelfs warmer dan 100 graden.

[Verwijderd]

Ik voelde dan ook het waterblok, niet het water. Dat bleef wel koud, want dat was kraanwater. Mijn huidige blok heeft wel last van het effect dat jij beschrijft.

Het voorbeeld met de pan die je noemt is niet relevant, want we werken hier met een geforceerde, behoorlijk snelle waterstroom. In de pan kan het water zich alleen maar verplaatsen door, goh, hoe heet dat ook al weer, ''convectie''. Met een geforceerde waterstroom in je pan met dezelfde snelheid als die in je waterblok heb je dat probleem van een warme bodem niet zo.

Tsja, ik ben ook eerder geneigd getalletjes te geloven dan beweringen van mensen, maar hier moet de geforceerde waterstroom nog ergens in de formule erbij gejongd worden. Mijn waarnemingen kloppen niet met jouw berekeningen.

Reken hetzelfde eens uit voor een ''cross-drilled'' blok (U in het blok, 1/2" gaten), en een warmtetoevoer van 80W. Dan zouden deze blokken nooit ofte nimmer hebben kunnen werken.

Ow, en ik zal je voor zijn: ik weet dat misschien maar 50% van het vermogen van de gasbrander op het metaal word overgedragen, maar dan nog zit ik ruim boven de 500W warmtetoevoer, en eerder richting 1kW.

Goed, oftewel, waar klopt jouw berekening niet?