tl;dr: Es bringt nichts, schadet aber auch nicht (zumindest bei mir, so als vorläufiges Ergebnis).
Es ist ätzend: Manchmal bekommt man eine abstruse Fragestellung nicht aus dem Kopf, die einen dazu geradezu zwingt, einer Sache nachzugehen. So auch hier: An mir nagte die Frage, ob nicht eine Parallelschaltung von Radiatoren eine grandios simple Möglichkeit wäre, die Leistung von Wasserkühlungssystemen zu verbessern. Merkwürdigerweise förderte eine erste, zugegebenermassen oberflächliche Googelei nach dem Thema nichts Hilfreiches zu Tage: Es wird zwar viel herumspekuliert und behauptet, ich fand aber niemanden, der eigene Messungen vorweisen konnte. Auch sonst scheint eher die Parallelschaltung von GPU-Kühlern ein Thema zu sein, nicht jedoch die Parallelisierung von Radiatoren. Ich fand das merkwürdig, denn es gibt gute Gründe die Optimierungsgewinne erwarten lassen:
Hypothesen
1. Die Effizienz von Radiatoren steigt mit der Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Kühlluft. Je wärmer das zu kühlende Wasser und je kälter das Kühlmedium Luft ist, desto mehr Wärmeenergie kann ein Radiator abführen. Bei parallel geschalteten Radiatoren bekommt jeder Radi das maximal warme Wasser direkt von den CPU- und GPU-Kühlern zugeführt – das System müsste also eigentlich effizienter arbeiten als bei Radiatoren in Reihenschaltung, bei der die ‚hinteren‘ Radiatoren vorgekühltes Wasser bekommen.
2. Durch die Parallelschaltung sinkt die Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Radiatoren, das Wasser verbleibt also länger im Radiator und kann darin länger Wärme abgeben. Auch dies müsste zu Effizienz beitragen.
3. Durch die Parallelschaltung sinkt der Strömungswiderstand der Radiatoren-Gesamtheit. Ich habe zwar keine Formel für die zugrundeliegende Hydrodynamik parat, vermute aber, daß es sich bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten näherungsweise ähnlich verhält wie bei elektrischen Widerständen – dort berechnet sich der Widerstand von Parallelschaltungen als
Rgesamt=(R1*R2)/(R1+R2)
Bei gleichen Widerständen halbiert sich so der Gesamtwiderstand, bei Widerständen in Reihe verdoppelt er sich dagegen! Analog wäre bei der Wasserkühlung zu erwarten, daß durch den geringeren Durchflusswiderstand die Durchflussgeschwindigkeit in den CPU- und GPU-Kühlern steigt und entsprechend die Temperaturen der gekühlten Bauteile dort sinken.
Experimentalsystem
Praktischerweise habe ich gerade ein „Ein-Radiator-Mini-ITX-System“...
https://www.computerbase.de/forum/t...uehlung-und-nur-einem-240er-radiator.1820983/
...auf ein „Zwei-Radiator-System“ umgebaut:
https://www.computerbase.de/forum/t...g-aber-deutlich-weniger-luefterlaerm.1829164/
Also ist das die beste Gelegenheit, ein wenig mit der Verschlauchung herumzuspielen...
Kurze Zusammenfassung zu den Radiatoren: Es gibt einen Hauptradiator (240er/45mm) an der Gehäuseoberseite und einen Zusatzradiator (240er/30mm) am Gehäuseboden (die Details sind oben verlinkt). Beide beziehen ihre Frischluft über die Gehäuserückwand und hier beim Test zusätzlich über die entfernte Gehäusefront. Das Gehäuse ist zusätzlich aufgebockt, um eine eventuelle Behinderung der Entlüftung über den Gehäuseboden auszuschliessen. Die Pumpe läuft auf 50%, die Umgebungstemperatur wird gemessen und die Temperaturdifferenz Wasser-Umgebungsluft im Wasserstrom hinter allen Radiatoren als Maß für die jeweilige Leistungsfähigkeit der Radiatorenverschaltung gewertet. Als Last zum Testen habe ich letztlich nur die mit Prime95 erzeugen Werte berücksichtigt, da die Wassertemperatur mit der vom Heaven Benchmark verursachten Zusatzlast zwischen den Szenen zu stark schwankte – über 2 °C über einen Zyklus hinweg. Bei Prime bleibt die Last niedriger, aber dafür konstant.
Zunächst wurden die Radiatoren in Reihe geschaltet:
Das wäre auch mit kürzeren Schlauchführungen möglich gewesen, da aber der Temperatursensor am Auslass des Hauptradiators sitzt, musste dieser hinter den Zusatzradiator geschaltet, werden – daher die etwas barocke Verschlauchung. Die so ermittelten Referenzwerte finden sich in dem oben verlinkten Text.
Danach wurden die beiden Radiatoren parallel geschaltet: T-Stücke sind nicht erforderlich, da der Zulauf zum zweiten Radiator über einen ungenutzten Anschluss des GPU-Kühlers erfolgen kann und der Rücklauf auf einen Seitenanschluß am Rücklauf des Hauptradiators erfolgt. Angenehmer Nebeneffekt: Die ganze restliche Verschlauchung kann wie bei der Ein-Radiator-Konfiguration beibehalten werden.
Edit: Hier zur Verdeutlichung alle Zuläufe zu den Radiatoren in rot und der gemeinsame Rücklauf zur Pumpe in gelb.
Die Durchflusswiderstände beider Radiatoren unterscheiden sich deutlich: Der Hauptradiator ist direkt ohne Winkeladapter angeschlossen und bietet mit 45 mm Dicke mehr Durchflussquerschnitt als der 30 mm dicke Zusatzradiator, der mit einer längeren Leitung und 3 Winkeladaptern angeschlossen ist. Folglich wird über den Hauptradiator mehr Wasser fliessen, worunter jedoch vermutlich die Effizienz des Zusatzradiators leidet. Um die Wasserverteilung optimieren zu können (Stichwort „Hydraulischer Abgleich“: https://de.wikipedia.org/wiki/Hydraulischer_Abgleich) wurde ein Kugelhahn im Zulauf des stärker durchflossenen Hauptradiators eingebaut. Die Optimierung ist dabei sehr simpel: Einfach langsam zudrehen und auf das Absinken der Wassertemperatur im Gesamtkreislauf warten. Sobald diese wieder ansteigt, mit dem Zudrehen aufhören…
Und jetzt kommt das hässliche Ergebnis:
1. Die Temperatur ist, bei geöffnetem Kugelhahn, genau gleich wie bei der Reihenschaltung, sie unterscheidet sich maximal ein bis zwei Zehntel Grad, das liegt noch im Rahmen der Messungenauigkeit. Ok, ich hab ja noch nicht abgeglichen.
2. Auch beim Zudrehen des Kugelhahns ändert sich zunächst nichts. Die Temperatur fällt nicht. Sie tut überhaupt nichts. Kein Bisschen. Nada, niente, nitschewo, nix. Gar nix. Ausser irgendwann zu steigen, ab etwa 30° Schliessung des Kugelhahns.
Autsch.
Damit hatte ich nicht gerechnet. An der Position des Kugelhahns kann es nicht liegen – der sitzt definitiv vor dem Radiator mit dem geringeren Durchflusswiderstand. Was ist da los?
Offensichtlich sind die oben genannten Hypothesen falsch oder in ihrem Effekt zu vernachlässigen – Achtung, es folgen wilde Erklärungsversuche:
- Der Effizenzgewinn durch die wärmere Vorlauftemperatur an beiden Radiatoren gleicht sich wohl dadurch aus, daß jedes Wassermolekül pro Durchlauf nur durch einen Radiator wandern kann – dort wird zwar jeweils effizienter gekühlt, aber eben nur einmal. Bei der Reihenschaltung wird die geringere Effizienz des kälteren Wassers im nachgeschalteten Radiator wohl dadurch ausgeglichen, daß jedes Molekül eben zweimal gekühlt wird: Einmal kurz (doppelt so hohe Durchflussgeschwindigkeit!) im Hauptradiator und dann nochmal kurz bei geringerer Temperatur im dann weniger effizienten Zusatzradiator.
- Der Gesamtdurchflusswiderstand ist sicherlich geringer, doch wirkt sich das nicht auf die Wassertemperatur aus. Möglicherweise ein bisschen auf die CPU-Temperatur (mehr Durchfluss im Kühler), aber auf die habe ich gar nicht geachtet, da ich nur auf die Wassertemperatur gestarrt habe, ich Depp…
- Die Sache mit dem hydraulischen Abgleich ist relevant, wenn man auf allen Radiatoren die gleiche Temperatur haben will (Bsp. Heizkörper in Wohnungen) aber nicht aus Sicht der Heizung – die kriegt auch ohne Abgleich die gleiche Rücklauftemperatur.
Interessant ist ebenso, daß die Werte unverändert bleiben, selbst bei einem zu 30° geschlossenen Kugelhahn. Gruselstorys, daß sich unkalkulierbare Mengenverteilungen einstellen oder unbemerkte Ablagerungen in den Radiatoren fatal auf die Kühlleistung auswirken, halte ich daher schlicht für unbegründet. Sollte da was dran sein, würde ich gerne Messwerte dazu sehen.
Ich hab‘ daher den Kugelhahn wieder ausgebaut und statt dessen als Ablaufhahn genutzt und bleibe bei der Parallelschaltung, schlichtweg weil‘s in meinem Gehäuse so mit der Verschlauchung einfacher ist.
Mitlesende Physiker oder Heizungstechniker sind herzlich eingeladen, das Ganze nachzurechnen, zu widerlegen oder zu bestätigen. Falls jemand mit Quellen zu ähnlichen Versuchen bei der PC-Wasserkühlung dienen kann, wäre ich ebenfalls dankbar.
Just my 2 cents...
Es ist ätzend: Manchmal bekommt man eine abstruse Fragestellung nicht aus dem Kopf, die einen dazu geradezu zwingt, einer Sache nachzugehen. So auch hier: An mir nagte die Frage, ob nicht eine Parallelschaltung von Radiatoren eine grandios simple Möglichkeit wäre, die Leistung von Wasserkühlungssystemen zu verbessern. Merkwürdigerweise förderte eine erste, zugegebenermassen oberflächliche Googelei nach dem Thema nichts Hilfreiches zu Tage: Es wird zwar viel herumspekuliert und behauptet, ich fand aber niemanden, der eigene Messungen vorweisen konnte. Auch sonst scheint eher die Parallelschaltung von GPU-Kühlern ein Thema zu sein, nicht jedoch die Parallelisierung von Radiatoren. Ich fand das merkwürdig, denn es gibt gute Gründe die Optimierungsgewinne erwarten lassen:
Hypothesen
1. Die Effizienz von Radiatoren steigt mit der Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Kühlluft. Je wärmer das zu kühlende Wasser und je kälter das Kühlmedium Luft ist, desto mehr Wärmeenergie kann ein Radiator abführen. Bei parallel geschalteten Radiatoren bekommt jeder Radi das maximal warme Wasser direkt von den CPU- und GPU-Kühlern zugeführt – das System müsste also eigentlich effizienter arbeiten als bei Radiatoren in Reihenschaltung, bei der die ‚hinteren‘ Radiatoren vorgekühltes Wasser bekommen.
2. Durch die Parallelschaltung sinkt die Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Radiatoren, das Wasser verbleibt also länger im Radiator und kann darin länger Wärme abgeben. Auch dies müsste zu Effizienz beitragen.
3. Durch die Parallelschaltung sinkt der Strömungswiderstand der Radiatoren-Gesamtheit. Ich habe zwar keine Formel für die zugrundeliegende Hydrodynamik parat, vermute aber, daß es sich bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten näherungsweise ähnlich verhält wie bei elektrischen Widerständen – dort berechnet sich der Widerstand von Parallelschaltungen als
Rgesamt=(R1*R2)/(R1+R2)
Bei gleichen Widerständen halbiert sich so der Gesamtwiderstand, bei Widerständen in Reihe verdoppelt er sich dagegen! Analog wäre bei der Wasserkühlung zu erwarten, daß durch den geringeren Durchflusswiderstand die Durchflussgeschwindigkeit in den CPU- und GPU-Kühlern steigt und entsprechend die Temperaturen der gekühlten Bauteile dort sinken.
Experimentalsystem
Praktischerweise habe ich gerade ein „Ein-Radiator-Mini-ITX-System“...
https://www.computerbase.de/forum/t...uehlung-und-nur-einem-240er-radiator.1820983/
...auf ein „Zwei-Radiator-System“ umgebaut:
https://www.computerbase.de/forum/t...g-aber-deutlich-weniger-luefterlaerm.1829164/
Also ist das die beste Gelegenheit, ein wenig mit der Verschlauchung herumzuspielen...
Kurze Zusammenfassung zu den Radiatoren: Es gibt einen Hauptradiator (240er/45mm) an der Gehäuseoberseite und einen Zusatzradiator (240er/30mm) am Gehäuseboden (die Details sind oben verlinkt). Beide beziehen ihre Frischluft über die Gehäuserückwand und hier beim Test zusätzlich über die entfernte Gehäusefront. Das Gehäuse ist zusätzlich aufgebockt, um eine eventuelle Behinderung der Entlüftung über den Gehäuseboden auszuschliessen. Die Pumpe läuft auf 50%, die Umgebungstemperatur wird gemessen und die Temperaturdifferenz Wasser-Umgebungsluft im Wasserstrom hinter allen Radiatoren als Maß für die jeweilige Leistungsfähigkeit der Radiatorenverschaltung gewertet. Als Last zum Testen habe ich letztlich nur die mit Prime95 erzeugen Werte berücksichtigt, da die Wassertemperatur mit der vom Heaven Benchmark verursachten Zusatzlast zwischen den Szenen zu stark schwankte – über 2 °C über einen Zyklus hinweg. Bei Prime bleibt die Last niedriger, aber dafür konstant.
Zunächst wurden die Radiatoren in Reihe geschaltet:
Das wäre auch mit kürzeren Schlauchführungen möglich gewesen, da aber der Temperatursensor am Auslass des Hauptradiators sitzt, musste dieser hinter den Zusatzradiator geschaltet, werden – daher die etwas barocke Verschlauchung. Die so ermittelten Referenzwerte finden sich in dem oben verlinkten Text.
Danach wurden die beiden Radiatoren parallel geschaltet: T-Stücke sind nicht erforderlich, da der Zulauf zum zweiten Radiator über einen ungenutzten Anschluss des GPU-Kühlers erfolgen kann und der Rücklauf auf einen Seitenanschluß am Rücklauf des Hauptradiators erfolgt. Angenehmer Nebeneffekt: Die ganze restliche Verschlauchung kann wie bei der Ein-Radiator-Konfiguration beibehalten werden.
Edit: Hier zur Verdeutlichung alle Zuläufe zu den Radiatoren in rot und der gemeinsame Rücklauf zur Pumpe in gelb.
Die Durchflusswiderstände beider Radiatoren unterscheiden sich deutlich: Der Hauptradiator ist direkt ohne Winkeladapter angeschlossen und bietet mit 45 mm Dicke mehr Durchflussquerschnitt als der 30 mm dicke Zusatzradiator, der mit einer längeren Leitung und 3 Winkeladaptern angeschlossen ist. Folglich wird über den Hauptradiator mehr Wasser fliessen, worunter jedoch vermutlich die Effizienz des Zusatzradiators leidet. Um die Wasserverteilung optimieren zu können (Stichwort „Hydraulischer Abgleich“: https://de.wikipedia.org/wiki/Hydraulischer_Abgleich) wurde ein Kugelhahn im Zulauf des stärker durchflossenen Hauptradiators eingebaut. Die Optimierung ist dabei sehr simpel: Einfach langsam zudrehen und auf das Absinken der Wassertemperatur im Gesamtkreislauf warten. Sobald diese wieder ansteigt, mit dem Zudrehen aufhören…
Und jetzt kommt das hässliche Ergebnis:
1. Die Temperatur ist, bei geöffnetem Kugelhahn, genau gleich wie bei der Reihenschaltung, sie unterscheidet sich maximal ein bis zwei Zehntel Grad, das liegt noch im Rahmen der Messungenauigkeit. Ok, ich hab ja noch nicht abgeglichen.
2. Auch beim Zudrehen des Kugelhahns ändert sich zunächst nichts. Die Temperatur fällt nicht. Sie tut überhaupt nichts. Kein Bisschen. Nada, niente, nitschewo, nix. Gar nix. Ausser irgendwann zu steigen, ab etwa 30° Schliessung des Kugelhahns.
Autsch.
Damit hatte ich nicht gerechnet. An der Position des Kugelhahns kann es nicht liegen – der sitzt definitiv vor dem Radiator mit dem geringeren Durchflusswiderstand. Was ist da los?
Offensichtlich sind die oben genannten Hypothesen falsch oder in ihrem Effekt zu vernachlässigen – Achtung, es folgen wilde Erklärungsversuche:
- Der Effizenzgewinn durch die wärmere Vorlauftemperatur an beiden Radiatoren gleicht sich wohl dadurch aus, daß jedes Wassermolekül pro Durchlauf nur durch einen Radiator wandern kann – dort wird zwar jeweils effizienter gekühlt, aber eben nur einmal. Bei der Reihenschaltung wird die geringere Effizienz des kälteren Wassers im nachgeschalteten Radiator wohl dadurch ausgeglichen, daß jedes Molekül eben zweimal gekühlt wird: Einmal kurz (doppelt so hohe Durchflussgeschwindigkeit!) im Hauptradiator und dann nochmal kurz bei geringerer Temperatur im dann weniger effizienten Zusatzradiator.
- Der Gesamtdurchflusswiderstand ist sicherlich geringer, doch wirkt sich das nicht auf die Wassertemperatur aus. Möglicherweise ein bisschen auf die CPU-Temperatur (mehr Durchfluss im Kühler), aber auf die habe ich gar nicht geachtet, da ich nur auf die Wassertemperatur gestarrt habe, ich Depp…
- Die Sache mit dem hydraulischen Abgleich ist relevant, wenn man auf allen Radiatoren die gleiche Temperatur haben will (Bsp. Heizkörper in Wohnungen) aber nicht aus Sicht der Heizung – die kriegt auch ohne Abgleich die gleiche Rücklauftemperatur.
Interessant ist ebenso, daß die Werte unverändert bleiben, selbst bei einem zu 30° geschlossenen Kugelhahn. Gruselstorys, daß sich unkalkulierbare Mengenverteilungen einstellen oder unbemerkte Ablagerungen in den Radiatoren fatal auf die Kühlleistung auswirken, halte ich daher schlicht für unbegründet. Sollte da was dran sein, würde ich gerne Messwerte dazu sehen.
Ich hab‘ daher den Kugelhahn wieder ausgebaut und statt dessen als Ablaufhahn genutzt und bleibe bei der Parallelschaltung, schlichtweg weil‘s in meinem Gehäuse so mit der Verschlauchung einfacher ist.
Mitlesende Physiker oder Heizungstechniker sind herzlich eingeladen, das Ganze nachzurechnen, zu widerlegen oder zu bestätigen. Falls jemand mit Quellen zu ähnlichen Versuchen bei der PC-Wasserkühlung dienen kann, wäre ich ebenfalls dankbar.
Just my 2 cents...
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Mir ist keine Quelle bekannt, wo jemand das im Bereich PC-Wasserkühlung wirklich mal verglichen und dokumentiert hat. Kennst Du eine?
