Leserartikel Durchfluss vs Temp @ Netzradi

[Duke711]

Ergänzung zu Plot 1:

 

[Schaby]

Denn bei zunehmendem Durchfluss steigt die gemittelte Temperaturdifferenz sogar leicht.
Es genügt nicht, nur die Temperatur am Einlass zu betrachten.

Tut ja auch keiner, nur der Mittelwert spielt keine Rolle.
Und du beziehst dich jetzt auf die Tabellen, die gemittelte Temperatur muss sich aber immer in eine Richtung bewegen, solange der Radiator die Wärme abführen kann. Da die Kühlleistung bei steigendem Durchfluss abnimmt, müsste der gemittelte Wert immer steigen.

Unter Kühlleistung verstehe ich übrigens die Leistung, die bei einer vorgegebenen (Wasser / Luft) Temperaturdifferenz abgeführt werden kann.

Ist ja auch so.
Da sich aber die DeltaT zwischen Luft und Wasser verändert, verändert sich auch die Kühlleistung.

Das steht aber in klarem Widerspruch zu dem, was Duke711 hier geschrieben hat

Ohne jetzt gelesen zu haben was Duke da schreibt, ich habs logisch, nachvollziehbar und ausführlich zum X-ten mal erklärt.

@Duke711
verdammt ich komme aus der Nummer nicht mehr raus, sind die K-Werte in der Tabelle nicht falsch rum. Habs geschnallt, 3k bis 37°C also ca. 34°C (20l/h).

 

[Duke711]

K steht für Kelvin und somit für Differenz:

Ambientemp 27 °C (37 °C Einlass -> DT 10 K)

 

[0-8-15 User]

Da die Kühlleistung bei steigendem Durchfluss abnimmt, müsste der gemittelte Wert immer steigen.

Im dritten Schaubild sieht man, dass die gemittelte Temperaturdifferenz mit steigendem Durchfluss (bei konstanter Leistung) immer weiter abnimmt.

Da sich aber die DeltaT zwischen Luft und Wasser verändert, verändert sich auch die Kühlleistung.

Im ersten Schaubild verändert sich nur der Durchfluss. Die Temperaturdifferenz zwischen Luft- und Wassereinlass bleibt konstant bei 10 Kelvin. Die Kühlleistung steigt also, obwohl sich die Temperaturdifferenz nicht verändert.

Ohne jetzt gelesen zu haben was Duke da schreibt, ich habs logisch, nachvollziehbar und ausführlich zum X-ten mal erklärt.

Das solltest du tun, sonst werden wir weiterhin aneinander vorbeireden.

Mir waren die Zusammenhänge bisher jedenfalls nicht so klar und ich bin dankbar dafür, dass Duke711 uns hier Denkanstöße liefert.

 

[Schaby]

Im ersten Schaubild wird gezeigt wieviel Watt Wärme benötigt werden um diese 37°C zu erreichen. Ist klar, dass bei einem langsamen Durchfluss die Temperatur mit weniger Leistung erzielt wird.

Hm, und mit der gemittelten Temperatur könnte stimmen, ich stelle mir gerade einen Riesenradiator vor, wo bei 20l/h die Stunde genau die 27°C warmes Wasser rauskommt. Bei 30l/h das selbe spielchen, es kommen immer noch nur 27°C warmes Wasser raus, d.h. der gemittelte Wert ist gesunken. D.h. die abzuführende Wärme steht proporzional zur Kühlleistung und Durchfluss.

 

[0-8-15 User]

Ich muss dir recht geben, dass sich das erste Schaubild nur bedingt eignet, um die Kühlleistung zu beurteilen.

Aber das liegt eben genau daran, dass es nur Sinn macht, die mittlere Temperaturdifferenz zu betrachten, wenn man an der tatsächlichen Kühlleistung interessiert ist.

Tut ja auch keiner, nur der Mittelwert spielt keine Rolle.

Betrachtet man nur die Einlasstemperatur, dann könnte man meinen, dass die Kühlleistung steigt.
Betrachtet man nur die Auslasstemperatur, dann könnte man meinen, dass die Kühlleistung sinkt.

In Wirklichkeit steigt sie aber bis zu einem bestimmten Punkt an, siehe drittes Schaubild.

 

[Duke711]

Das liegt darin begründet, dass die Auslasstemperatur am Durchfluss gekoppelt ist. Ist dieser gering, stellt sich innerhalb des Wärmetauschers eine hohe Temperaturdifferenz ein. Das wiederrum führt zu einer geringeren Auslasstemperatur die im übrigen nicht vorteilhaft ist. Denn zu einem stellt sich die Einlasstemperatur nach der zugeführten Wärme ein, diese ist also konstant, falls die Wärmequelle konstant sein sollte.
Das bedeutet aber auch wenn die Auslasstemperatur fällt, nähert sich diese immer mehr der Umgebungstemperatur an. Das bedeutet nun eine niedrigere untere Temperaturdifferenz und somit fällt die Leistung des Wärmetauschers.
Nun tritt ein Ausgleich ein. Die geringere Leistung wird jetzt durch eine höhere Temperaturdifferenz ausgeglichen. Da nach Unten kein Spielraum ist, steigt eben nun die Einlasstemperatur.
Was im übrigen auch nicht erwünscht ist, denn die Einlasstemperatur ist immer die Vorlauftemperatur der wärmsten Komponente im Kreislauf. D.h. eine Komponente liegt dann im Mittelwert, je nach Leistung, ungefähr bei der Vorlauftemperatur.

Im Plot 1. kann man nun fogendes heraus lesen:

Ich möchte eine Vorlauftemperatur (Einlass) von 10 k überhalb der Umgebungstemperatur anstreben, so dass z.B: die wärmste Komponente im Mittel bei 7 K über der Umgebungstemperatur liegt zzgl. der Temperaturdifferenz vom Kühler zum Die.
Dann kann nun einfach ablesen, wie viel Leistung mit welchen mind. Durchfluss nun abgeführt werden kann.

Bei Plot 3. kann man leider auf anhieb nicht diese Vorlauftemperatur ablesen. Es haben also bei Plots ihre Daseinsberechtigung.

 

[0-8-15 User]

Hier mal Messergebnisse aus meinem System (300 Watt Leistung und 1000 RPM):

Außerhalb der grau gestrichelten Linien: 60 l/h
Innerhalb der grau gestrichelten Linien: 130 l/h

Eigentlich hätte ich nach unserer Diskussion erwartet, dass die gemittelte Temperaturdifferenz sinkt, wenn der Durchfluss erhöht wird.

[table="width: 800, class: grid"]
[tr]
[td]Lüfterdrehzahlen[/td]
[td]Temperaturverlauf[/td]
[td]dt Wasser/Wasser[/td]
[td]logDt Wasser/Luft[/td]
[/tr]
[tr]
[td][/td]
[td][/td]
[td][/td]
[td][/td]
[/tr]
[/table]

 

[Duke711]

LogDT muss steigen, siehe letzten Plot, wenn der Durchfluss steigt und die Leistung nicht konstant ist.
Wenn die Leistung konstant ist, dann sinkt der LogDT.

Somit spiegeln Deine Messungen genau diese Aussagen wieder im übrigen es ist genau anderes herum:

Innerhalb der grau gestrichelten Linien: 60 l/h
Außerhalb der grau gestrichelten Linien: 130 l/h

Richtig:

Außerhalb der grau gestrichelten Linien: 60 l/h
Innerhalb der grau gestrichelten Linien: 130 l/h

Außer der LogDT, da stellt sich die Frage wie das Programm diesen ermittelt

 

[0-8-15 User]

Den Tippfehler bei den Durchflusszahlen habe ich korrigiert.

Wenn die Leistung konstant ist, dann sinkt der LogDT.

Die Leistung war über den gesamten Messzeitraum konstant.

Außer der LogDT, da stellt sich die Frage wie das Programm diesen ermittelt

dt_high = return_temperature - ambient_air_temperature
dt_low = flow_temperatur - ambient_air_temperature
log_dt = (dt_high - dt_low) / (log(dt_high) - log(dt_low))

 

[Duke711]

Also es sind ~ 225 W

~ 3,2*4185*60/3600
~ 1,5*4185*130/3600


--------------------------------------------

Aber Du hast auch die Temperatusensoren vertauscht:

Return = Rücklauf 31,5 °C ?
Flow = Vorlauf 28,5 °C ?

Darum ermittelt das Programm den LogDT genau anderes herum. Der Rücklauf muss kälter sein als der Vorlauf.
------------------------------------------------------

Nachtag:

Also ich habe das oben in Klammern gesetzt, da die Aussage wohl eher falsch ist.

Auch rein von der Logik. Warum sollte die gemittelte Temperaturdifferrenz mit steigen Durchfluss zu nehmen, das würde ja bedeuten, dass mit zunehmenden Durchfluss die Temperaturen immer schlechter werden.
Natürlich gibt es da Schwankungen, so dass trotz steigendem Durchfluss die gemittelte Temperaturdifferrenz auch zunehmen kann.
Bezüglich den Schwankungen:
Die gemittelte Temperaturdifferrenz wird rechnerisch über einen Korrekturfaktor bei ermittelt. Zutreffend ist dies exakt nur bei Gleich oder Gegenstromwärmetauschern.
Bei Radiatoren (Kreuzstrom) ist dieser Korrekturfaktor übrigens Abgängig vom Massenstrom, da dieser nicht bekannt ist, ergeben sich dann die o.g. Schankungen bei der gemittelten Temperaturdifferenz, wenn mit einer festen Variable gerechnet wird. Das macht übrigens das Progamm.

 

[0-8-15 User]

Ja, aber eigentlich müsste ich doch die tatsächliche gemittelte Temperaturdifferenz mit meiner Rechnung systematisch unterschätzen.

Nachtrag:

Aber Du hast auch die Temperatusensoren vertauscht

Vorlauf bezeichnet bei mir das gekühlte Wasser, Rücklauf das erwärmte Wasser. Anscheinend ist das nicht gängige Praxis?

Bei Radiatoren (Kreuzstrom) ist dieser Korrekturfaktor übrigens Abgängig vom Massenstrom, da dieser nicht bekannt ist, ergeben sich dann die o.g. Schankungen bei der gemittelten Temperaturdifferenz, wenn mit einer festen Variable gerechnet wird.

Massenstrom(W) ändert sich nur an den grau gestrichelten Linien.
Massenstrom(L) ändert sich nie.

Die Schwankungen werden meiner Meinung nach vor allem durch die Schwankungen bei der Messung der Lufttemperatur verursacht:

[table="width: 800, class: grid"]
[tr]
[td]Rohdaten[/td]
[td]Gleitender Durchschnitt[/td]
[/tr]
[tr]
[td][/td]
[td][/td]
[/tr]
[/table]

Ich glaube, du hast recht. Die Art der Berechnung scheint den Trend tatsächlich umzukehren:

[table="width: 800, class: grid"]
[tr]
[td]Mittlere Temperaturdifferenzen[/td]
[td]Berechnungsvorschriften[/td]
[/tr]
[tr]
[td][/td]
[td]Blau:

(dt_high - dt_low) / (log(dt_high) - log(dt_low))

Orange:

(dt_high + dt_low) / 2

[/td]
[/tr]
[/table]

 

[Duke711]

Also die Funktion der gemittelten Temperaturdifferenz oder auch LogDT ist eine Grenzfunktion. Hyperebel

http://www.nachhilfe-karrer.de/mathematische-begriffe-und-definitionen/hyperbel/

1/x

Grenzfunktion heißt, es kann ein absoluter Minimlawert oder Maximalwert nicht erreicht werden. Im o.g. Link die 0. 1/0 = unendlich. Die Kurve wird immer flacher, aber niemals eine Horizontale wie hier:

https://www.computerbase.de/forum/attachments/bpunkt-jpg.633873/

Deshalb ist die Kurve auch abrubt abgeknickt. Bei 1400 rpm wäre der absolute Grenzwert ~ 6,5 K. Die Kurve würde immer flacher werden, aber niemals eine Horizontale.
Genauso würde bei einem Durchfluss von 0 L/h die Funktion immer steiler werden, aber niemals eine Vertikale.

Bezüglich des Massenstroms, da habe ich mich undeutlich ausgedrückt.
Der Massenstrom ist an sich schon bekannt, aber die genauen Strömungsvorgänge, Turbulenzen auf der Luftseite nicht, an dessen der Korrektorfaktor gekopplet ist. Denn die Wärmetauscherfläche wird nicht wie beim Gleich/Gegenstrom homogen angeströmt, sondern es liegt eine inhomogene Durchmischung vor.
Die LogDT Gleichung, ohne einen variablen Korrekturwert (abhängig vom Luftmassenstrom), berücksichtig aber nur eine gleichmäßige Durchmischung und deshalb kommt dann keine saubere Hyperebel zustande.

LogDT = 1/x Schaubild:

http://www.nachhilfe-karrer.de/mathematische-begriffe-und-definitionen/hyperbel/

 

[0-8-15 User]

Der Grund, warum die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz bei mir steigt, obwohl die mittlere Temperaturdifferenz fällt, ist die Tatsache, dass Tauslass bei mir stärker zunimmt, als Teinlass abnimmt.

Warum das so ist, kann ich allerdings noch nicht erklären.

Bei deiner Grafik (Schaubild 2) ist es ja genau anders herum. Während Tauslass kaum zunimmt, fällt Teinlass stark ab.

Ergänzung (26. Juli 2017)

Gemittelte Temperaturdifferenz:

DTm = sqrt(Teinlass-Tambient)(Tauslass-Tambient)

Bei dieser Art der Berechnung ist der Anstieg noch stärker ausgeprägt (grüne Kurve im Schaubild):

 

[GliderHR]

Hallo Zusammen,

Ich habe mir im letzten Jahr mal den Spaß gemacht und mit meinem Testaufbau einen HTSF 2 (3*120 mm Yate Loon D12SH-12) bei ca. 500 Watt und ca. 1500 rpm zu vermessen. Durchflussbereich von ca. 80l/h bis zu in der Realität illusorischen 430l/h.
Die Temperaturdifferenzen sind gut messbar aber eigentlich unbefriedigend weil ich für den hohen Durchfluss zwei Pumpen einsetzen musste und deshalb wohl auch einige Schwankungen in den Messwerten entstanden.
Gemessen habe ich auf 500W und 1500rpm normiert die Warm/Kaltwasser und Lufttemperatur.
Schaut selbst.
Leider waren Durchflussgeschwindigkeiten unter 80 l/h aufgrund hoher Schwankungen bei den Pumpendrehzahlen nicht sinnvoll.

Spaß deshalb, weil Änderungen der Lüfterdrehzahl um 100 rpm für das Kaltwasser etwa den Effekt von 80l/h auf 240 l/h bringt.

Bei extrem hohen Lüfterdrehzahlen (>2100) kann man über die Durchflußgeschwindigkeit noch etwas an Wärmeabfuhr gewinnen. Danach geht das in der Messgenauigkeit und im Spielalltag unter.

 

[0-8-15 User]

@GliderHR, ein Absinken der Kaltwassertemperatur widerspricht eigentlich jeder Logik.

@Duke711, könnte es nicht sein, dass mein Messergebnis durch die zusätzliche Verlustleistung der Pumpe bei höheren Drehzahlen, verfälscht wurde?

Die Pumpe verbaucht bei maximaler Drehzahl satte 14 Watt zusätzlich. Damit erhöht sich die Leistung um 6% von 225 W auf 239 W.

Das würde den Anstieg der gemittelten logarithmischen Temperaturdifferenz erklären.

Nachtrag:

Hat jemand eine Idee, wie ich für mein System eine annähernd korrekte Berechnungsvorschrift für die gemittelte Temperaturdifferenz bestimmen könnte?

 

[Duke711]

@0-8-15 User

Nein kann nicht sein, da ganz einfach direkt am Eingang und Ausgang gemessen wird und das Heizelement so eingestellt wird, dass sich nach Q = M *cp * DT die 400 W ergeben. Somit ist die unbekannte Verlusleistung der Pumpe schon enthalten.
Mit variablen Größen wie der TDP von CPU oder GPU lässt sich sowie so sehr schwierig ein eindeutiges Messergebnis erzählen, da ständig die Leistung schwankt:

Nachtrag:

Ich habe wohl Dein Satz falsch verstanden, Du bezieht Dich ja auf dein Messergebnis. Das wäre durch aus möglich.

 

[0-8-15 User]

Mittlerweile hab ich zusätzlich Temperatursensoren im Ansaugbereich aller Radiatoren und einen Durchflusssensor. Aber reproduzieren kann ich den Sachverhalt immer noch nicht:

[url=http://abload.de/img/internal_loop_flow_ra9psys.png][/url]

Nachtrag:

Außerdem kann ich mir nicht erklären, warum sich die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf nicht bei jeder Verdopplung des Durchflusses halbiert. Liegt das wirklich nur an der Summe aller Messfehler? Oder übersehe ich etwas?

 

[Duke711]

Zum einen sind die Intervalle viel zu kurz, nur 200 Sekunden. 15 - 20 Minuten sollten es schon sein. Ansonsten misst Du die Trägheit des dynamischen System mit. Dann wird das Ganze ja auch nicht mit einer wirklichen konstanten Last durchgeführt. Ein reales System eignet sich nicht wirklich, das sollte man schon mit einem Heizelement machen.
Besser wäre diese Messung nur mit der CPU und Prime95 durchzuführen, dann kann man halbwegs mit einer konstanten Last rechnen.

Und im übrigen halbiert sich die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf nicht bei einer Verdoppelung des Durchflusses.

Zwischen 40 L/h und > 120 L/h sind es nur 4 K Unterschied:

https://www.computerbase.de/forum/attachments/480t-jpg.633680/

Und wenn man genau hinschaut, dann steigt die Auslasstemperatur, wie bei deiner Messung, mit zunehmenden Durchfluss an. Wenn Du jetzt noch das Intervall erhöhst und die Leistung konstant hälst, dann wird mit sinkendem Durchluss die Einlasstemperatur ebenfalls steigen.

 

[0-8-15 User]

Zum einen sind die Intervalle viel zu kurz, nur 200 Sekunden. 15 - 20 Minuten sollten es schon sein.

Also nach jeder Änderung am Durchfluss 15-20 Minuten warten (auch bei sehr kleinen Änderungen)? Der aktuelle Test lief insgesamt 30 Minuten. Die Messdaten werden einmal pro Sekunde erhoben.

Dann wird das Ganze ja auch nicht mit einer wirklichen konstanten Last durchgeführt.

Ich werde mal beobachten, wie konstant der Stromverbrauch des Gesamtsystems im Messzeitraum ist.

Besser wäre diese Messung nur mit der CPU und Prime95 durchzuführen, dann kann man halbwegs mit einer konstanten Last rechnen.

Werde ich probieren. Allerdings bin ich mir ziemlich sicher, dass die GPU auch mit konstanter Last läuft.

Und im übrigen halbiert sich die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf nicht bei einer Verdoppelung des Durchflusses.

Sind also Temperaturdifferenz und Durchfluss nicht umgekehrt proportional zueinander? Und wenn ja, woran liegt das?

Zwischen 40 L/h und > 120 L/h sind es nur 4 K Unterschied

Also ich les in deinem Diagramm bei 40 L/h 8.2 K und bei 120 L/h 2.8 K ab. Also drittelt sich die Temperaturdifferenz bei einer Verdreifachung des Durchflusses.