[heatpipe]

Hallo,

bereits an verschiedenen anderen Stellen habe ich hierzu Anmerkungen gemacht.

Fangen wir mit der Konvektion an.

Konvektion ist der Wärmeübergang zwischen einem festem Körper und einem strömenden flüssigen oder gasförmigen Medium.

Wird die Strömung nur durch die Energie aus dem Temperaturunterschied zwischen Körper und umgebender Luft erzeugt,sprechen wir von natürlicher oder freier Konvektion.

Die Aussage,nur bei hohen Temperaturunterschieden tritt freie Konvektion auf ,ist falsch.
Jeder Körper,der wärmer ist als die Umgebungsluft bewirkt natürliche Konvektion.
An beheizten Körpern sind die wandnahen Luftschichten leichter als die weiter entfernten.Durch diesen Dichteunterschied entsteht eine Auftriebsströmung.

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit omega wird wie folgt beschrieben:

omega=Wurzel aus (delta rho x g x L/rho x 2,5)

delta rho ist die Differenz der Dichte an der Platte zur Dichte bei Umgebungstemperatur
rho ist die Dichte an der Platte
g die Erdbeschleunigung 9,81m/s²
L ist die überströmte Länge in m

Ein Herr Grasshoff hat nun diese Dichteunterschiede umgerechnet in Temperaturwerte.
Ergebnis ist die dimensionslose Grasshoffzahl Gr.

Gr=g x L³ x deltaT / ny² x (273+Tu)

deltaT=Differenz zwischen Körper -und Umgebungstemperatur Tu
g=Erdbeschleunigung
ny=kinematische Viskosität der Luft
(bei 20°C 15,11*10hoch-6[m²/s] ; bei 100°C 23,06*10hoch-6[m²/s])


Der Wärmeübergang zwischen einem Körper und der Luft ist abhängig vom Wärmeleitwert der Luft
und der Dicke der thermischen Grenzschicht klein Delta.


Das ist die Luftschicht,in der Wärmeübergang erfolgt.

http://www.silenthardware.de/forum/index.p...cmd=si&img=2318
http://www.silenthardware.de/forum/index.p...cmd=si&img=2319

Direkt am Körper erfolgt noch Wärmeleitung,wie in festen Körpern üblich.
Die Temperatur der thermischen Grenzschicht ist am Körper am höchsten und nimmt dann ab bis
zur Lufttemperatur am Ende der Grenzschicht.

Berechnet wird die therm.Grenzschicht bei freier Konvektion wie folgt:

delta=5,28* L /vierte Wurzel Gr

Die Dicke dieser therm.Grenzschicht ist abhängig von der Strömungslänge der Luft,i.d.R. Länge des Körpers von unten nach oben
und
der Strömungsgeschwindigkeit der Luft.
Diese hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Körper und Luft ab.

Also,
Dicke der Grenzschicht abhängig von:
Länge des Körpers in Strömungsrichtung,je kürzer je dünner die Grenzschicht
Temperaturdifferenz,je größer je dünner die Grenzschicht

Dünne Grenzschicht ist gut.

Ein Herr Nußelt hat nun nach der Ähnlichkeitstheorie die Abhängigkeit der Grenzschichtdicke zur Länge des Körpers in Strömungsrichtung der Luft beschrieben .
Für natürliche Konvektion gilt:

Nu=0,55*(vierte Wurzel aus 0,71*Gr)

Die Qualität des Wärmeübergangs von Körpern (PC-Komponenten) wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten alpha beschrieben.

Für alpha gilt:

alpha=Nu*lambda/L

Wärmeleitwert für trockene Luft bei 20°C 0,0256 W/mK
Wärmeleitwert für trockene Luft bei 100°C 0,0316 W/mK
bei 1013mbar Luftdruck


Zum Schluss erhalten wir den Wärmeübergangswiderstand Körper zu Luft RthermÜ

RthermÜ=1/alpha X A

Nicht zu verwechseln mit dem therm.Widerstand in Körpern.

A ist die wärmeabgebende Oberfläche in m².

Praktischer Nutzen:

Der Rippenabstand bei Kühlkörpern sollte das 1 bis 1,5fache der therm.Grenzschichtdicke betragen.
Bei gegebenem Rippenabstand kann die Eignung für gewünschte Bauhöhen überprüft werden.
Bei bekanntem alpha kann die Temperatur an PC-Komponenten durch Vergrößerung der Kühlkörperfläche bei konstanter Bauhöhe leicht berechnet werden.

Bei Mainboardrückseitenkühlung kann berechnet werden,ob eine Oberflächenvergrößerung trotz zusätzlichem Wärmewiderstand durch Folie eine Temperatursenkung bringt.


Bei Festplatten kann berechnet werden,wie Dämmung mit bekanntem Wärmeleitwert und vergrößerter Oberfläche sich auf die Temperatur auswirken.


Für die Lüfterfraktion im Forum:

Kennt man die Grenzschichtdicke für freie Konvektion kann über einen Faktor der therm.Übergangswiderstand für verschiedene Luftgeschwindigkeiten ermittelt werden

Die Grenzschichtdicke sagt auch aus,wie weit der nächste Körper entfernt sein sollte,damit man optimale Strömungsverhältnisse hat und keine Turbulenzen hat.


Es grüßt
heatpipe

[Oli92]

der beitrag ist "PIN"-Reif

Edit by hamu: Musst ja nicht alles quoten!

[electr0n]

heatpipe, danke! Jetzt haben sich fast alle meine Fragen geklärt bezüglich Konvektion im Gehäuse. Kann man das jetzt auch als richtig ansehen? Brumm-Bär und Uwe schreiben im geschlossenen Thread manchmal genau das Gegenteil.

[Pappnaas]

Der Vorgang scheint technisch korrekt beschrieben, habe aber nicht jedes Detail geprüft.

Einige Frage lässt der ganze Artikel allerdings offen:

Wird so 100% der entstehenden Wärme abgeführt?

Welche Faktoren wirken zur Ermittlung der Luftstromberechnung und damit der Ermittlung der Grenzschichtdicke in einem Gehäuse?

An welchen Stellen sind die beschriebenen Zusammenhänge experimentell ermittelt oder theoretisch bewiesen?

Welche Sekundärliteratur wurde bei der Anfertigung verwendet?

Welche Folgerungen für die Praxis ziehst Du aus den von Dir beschriebenen Zusammenhängen?

Afaik ist die ganze Strömungstechnik unbewiesen und geht von Näherungen und Faktoren aus, die hinreichend oft gefundene Zusammenhänge mathematisch beschreiben. Selbst aktuelle Simulationsrechnungen können den einfachen Vorgang der Mischung eines kalten und eines warmen Luftstroms nur abstrahiert auf der Grundlage mathmatischer Systeme von Differentialgleichungen in der Tendenz darstellen. Das Thema ist ziemlich komplex.

Alaaf,

Pappnaas

[HeatHunter]

Das ganze geht solange bis der Körper und die Luft dieselbe Temp. haben. Machst du also 0° warme Luft in den PC schicken, kannst du ihn theoretisch bis auf 0° Kühlen. Bei 20° kannst du ihn nur auf 20° kühlen.
Du musst aber bedenken, umso größer der Temperaturunterschied zwischen Luft und CPU umso schneller wird die Wärme ausgetauscht. Also wenn du nen Körper von 40 auf 25° abkühlen willst und dazu 0° warme Luft nimmst geht das in 5min. Wenn du dazu 20° Luft nimmst geht das in 30min.
Und die Geschwindigkeit der vorbeiströmenden Luft ist entscheidend. Umso schneller die Luft strömt, umso schneller Kühlt sie.

[heatpipe]

Hallo,

das Thema ist wirklich sehr komplex.
Messtechnische Erfassung ist schwierig bis kaum möglich.

Da die Lehrmeinung an deutschen Unis nach wie vor die Erkenntnisse der Herren Grasshoff, Reynolds,Nußelt nutzt,,habe ich mir erlaubt das auch zu tun.

Die Wissenden mögen diesen Beitrag als kleine Hilfe für weniger Wissende verstehen,sich den kühltechnischen Vorgängen zu nähern.

Weder wollte ich über Wärmestrahlung schreiben,womit sich der Einwand der 100%igen Wärmeabfuhr erledigt,noch wollte ich mich über Sonderfälle wie natürliche Konvektion über ebenen Flächen(Fußbodenheizung) auslassen.

Viel wichtiger erschien mir,einigen eine Hilfe zu geben,die z.B. derzeit konkret ihre Mainboardrückseite kühlen möchten.Die können jetzt,falls sie es wollen,berechnen,wie groß,wie dick ihr Zusatzblech sein sollte,wie dick die Wärmeleitfolie und ob ein zusätzlich aufgeklebter Kühlkörper noch was bringt-

Bisher waren dazu wenige Mitglieder im Forum in der Lage.
Zumindestens war das nicht aus Ihren von mir gelesenen Beiträgen ersichtlich.


Es grüßt
heatpipe

[Brumm-Bär]

Hallo!

Heatpipe danke ich für seine Mühe.

Ja, das ist alles völlig richtig und bedarf keiner Sekundär-Literatur, denn:
Der gesamte Sachverhalt war hier schon früher verlinkt, z.B. hier:
http://www.meisterku...konvektion.html
oder hier:
http://www.meisterku...estrahlung.html

Auch Wikipedia macht uns dazu schlau:
http://de.wikipedia....ki/Grashof-Zahl

Und natürlich die bekannten Suchmaschinen, wenn man
Grashof
oder
Nußelt

eingibt. Bitte die richtige Schreibweise beachten (sonst landet man bei einer Partnervermittlung mit ähnlicher Schreibweise ), heatpipe ist da etwas großzügig vorgegangen .

Hoffentlich kommen alle, die jetzt laut aufjubeln, mit der Mathematik auch hinreichend zurecht.

@ electr0n:

Zitat

Jetzt haben sich fast alle meine Fragen geklärt bezüglich Konvektion im Gehäuse.

Leider völliger Schuss in den Ofen. Heatpipe beschreibt nicht die Konvektion in einem Gehäuse, sondern freie Konvektion an Rippenkühlkörpern außerhalb von Gehäusen. Und: Viel Spaß beim Selbst-Rechnen .


@ Pappnaas

Zitat

Afaik ist die ganze Strömungstechnik unbewiesen

Ganz im Gegenteil, das ist Standard bei der Ingenieurs-Ausbildung. Und gesichertes Wissen. Sofern man damit umgehen kann .

@ HeatHunter:
Bitte noch mal von vorne lesen. Es geht um freie Konvektion! Ich dachte, du wärst der Jahrgangsbeste in Physik.

@ heatpipe:

Zitat

Die Aussage, nur bei hohen Temperaturunterschieden tritt freie Konvektion auf, ist falsch.

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit omega wird wie folgt beschrieben:
omega=Wurzel aus (delta rho x g x L/rho x 2,5)

Wobei für den mathematisch Versierten diese Wurzel eben besagt, dass bei niedrigen Delta-Werten sich nichts abspielt. Rechnerisch ja, messtechnisch nein.
Für mathematisch nicht so versierte: Für doppelte Wirkung ist der vierfache Delta-Wert erforderlich, für zehnfache Wirkung bereits der hundertfache usw. Nur große Werte zeigen Wirkung.

Und sicherheitshalber noch mal: Die sauberen und völlig richtigen Ausführungen von Heatpipe beziehen sich nicht auf die Situation in einem PC-Gehäuse.



Liebe Grüße
vom

Brumm-Bär,

das nächste mal sparst du dir einfach die polemik, k? falls du jetzt grosse probleme damit hast, kannst du dich gerne per persönlicher mitteilung bei mir melden

[HeatHunter]

Brumm-Bär sagte am 11.06.2006, 22:32:

@ HeatHunter:
Bitte noch mal von vorne lesen. Es geht um freie Konvektion! Ich dachte, du wärst der Jahrgangsbeste in Physik.

habe aber meine Ausdrucksproblem. Ich habe mich auch Pappnas bezogen. Und wollte verdeutlich wie das mit dem Abführen von 100° Wärme ist..
.. das man das nicht mit den gegebenen Formeln berechnen kann ist mir klar.

[Pappnaas]

Lieber Brumm-Bär,

der Terminus "unbewiesen" sollte zum Ausdruck bringen, dass, im Gegensatz zur linearen Algebra, die ermittelten Formeln und Denkmodelle nicht durch mathematisch eindeutige Beweise belegt werden können. Die eingebrachten Formeln sind absolut unstrittig, sie stellen den aktuellen Stand der Technik dar und sind schon in eine "gebrauchsfertige" Form überführt worden. Trotzdem sind es empirisch ermittelte Grundlagen, da der absolute Beweis z. Zt. nicht zu führen ist.

Die Frage nach der Sekundärliteratur hatte keinen gehässigen Hintergrund, das war reine Neugier, da ich manche Formulierung schon in dieser oder ähnlicher Form über mich habe ergehen lassen (Stichwort: Cerbe Hoffmann ISBN 3-446-17767-1).

Gesichertes Wissen hat leider nichts damit zu tun, ob Grundlagenmodelle bewiesen oder empirisch akzeptiert sind.

Alaaf,

Pappnaas

PS: Ich kann. Solange mich der Taschenrechner nicht im Stich lässt

[heatpipe]

Hallo,

und schon sind wir dank Brumm-Bär`s Hilfe soweit,dass wir die Erkenntnisse der freien Konvektion auf einen PC übertragen können.

Er hat nun endlich die Katze aus dem Sack gelassen und und das von ihm gewünschte Konzept für eine Passivkühlung geliefert.

Da eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit wegen
a) fehlender Lüfter
erwünschter geringer Temperaturdifferenzen
nicht möglich ist,bleibt als Möglichkeit den therm.Übergangswiderstand der PC-Komponenten
RthermÜ=1/alphaxA
klein zu halten,die Wärmeabgabefläche A zu vergrößern.

Da zur Wärmeabfuhr nur freie Konvektion (und natürlich Wärmestrahlung) genutzt wird ,sollten jetzt auch die entsprechenden Berechnungsformeln angewendet werden.

Es grüßt
heatpipe

[l1ttl3-r4v3r]

electr0n sagte am 11.06.2006, 21:04:

heatpipe, danke! Jetzt haben sich fast alle meine Fragen geklärt bezüglich Konvektion im Gehäuse. Kann man das jetzt auch als richtig ansehen? Brumm-Bär und Uwe schreiben im geschlossenen Thread manchmal genau das Gegenteil.

2 müssen sich immer quer stellen, mehr sag ich dazu ned

Aber vielen Dank heatpipe, beim ersten überfliegen klingt das ganze doch plausibel. Wenn ich nicht auf dem Holzweg bin, ist das evtl ein Rezept für meine Gehäuseidee

[Brumm-Bär]

l1ttl3-r4v3r sagte am 12.06.2006, 21:40:

2 müssen sich immer quer stellen, mehr sag ich dazu ned

Hallo l1ttl3-r4v3r!
Warum sollte sich hier irgend jemand quer stellen? Wir tauschen Erfahrungen und Kenntnisse aus. Und sind keine Sekte mit Glaubenssätzen. Hier soll niemand missioniert und zu Fehlern verleitet werden. Allerdings muss auch jeder Leser selbst entscheiden, was er von den hier geschriebenen Vorschlägen umsetzen möchte. Wir sind ja alle schon groß .

Glauben darf hier wie überall jeder was er will. In diesem doch eher fachlich orientierten Forum zählen und überzeugen aber letzlich nur Ergebnisse, im besten Fall brauchbare Mess-Ergebnisse. Die sind über alle falsch verstandenen Theorien und tiefempfundene (Irr-)Gläubigkeit aber meilenweit erhaben.
Und niemand wird hier gehindert. sein richtig leises und kühles System und seine Erfolge, egal mit welchem religiösen oder psychologischen Hintergrund, vorzustellen. Dann zählen Zahlen und sonst nix.

Sehr freundlich grüßt
mal wieder
der

Brumm-Bär

[schoaskopf]

ihr wollt eine störungsfreie diskussion und ebendiese ermögliche ich euch, frei von sachfremden beiträgen.

alles andere bitte auf einer anderen plattform.