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Auswahl eines Wärmetauschers für Kühlplattensysteme

Abbildung 1: Flüssigkühlkreislauf

In zahlreichen Flüssigkühlkreisläufen  wird die von einer Kühlplatte aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgeleitet. Abbildung 1 zeigt einen typischen Flüssigkühlkreislauf. Dieser besteht aus einer Kühlplatte  (CP), einer Pumpe  und einem Wärmetauscher  (HX), die durch Schläuche oder Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Da die Komponenten Teile eines Systems sind, ist es wichtig, sie zusammen auszuwählen. Nur so kann gewährleistet werden, dass die einzelnen Komponenten für Ihre Anwendung geeignet sind. Hersteller geben die Leistungsdaten für Kühlplatten und Wärmetauscher normalerweise einzeln an. Die Leistung von Kühlplatten wird als Wärmewiderstand angegeben, die Leistung von Wärmetauschern hingegen als Wärmeleistung. Wie kann man also den optimalen Wärmetauscher und die optimale Kühlplatte für das Gesamtsystem auswählen? Das ist einfacher, als man meinen könnte. Denn die Gleichungen, mit denen man die richtige Kombination aus Kühlplatte und Wärmetauscher berechnen muss, lassen sich auf ein sehr einfaches Format reduzieren:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 1

Zu dieser Gleichung kommt man, wenn man zunächst einmal den Wärmewiderstand der Kühlplatte, formulaImage1 , berechnet. Dieser wird definiert als die Differenz zwischen der benötigten maximalen Oberflächentemperatur, TS, MAX, und der Austrittstemperatur der Flüssigkeit, TH, dividiert durch die gleichmäßig über die gesamte Kühlplattenoberfläche verteilte Wärmebelastung, Q:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 2

Analog dazu wird die Wärmeleistung des Wärmetauschers CHX berechnet. Die Wärmeleistung ist definiert als die Wärmebelastung Q dividiert durch das Temperaturdifferenzial zwischen den beiden eintretenden Flüssigkeiten, TH -TAIR. Zur Berechnung der Wärmeleistung wird folgende Gleichung angewandt:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 3

Die Wärmeleistung ist also gleich dem Kehrwert des Wärmewiderstands:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 4

Vorausgesetzt, dass es keinen Wärmegewinn von der Pumpe oder Wärmeverlust über die angeschlossenen Schläuche oder Rohrleitungen zwischen der Kühlplatte und dem Wärmetauscher gibt (diese sind in der Regel geringfügig), lassen sich die Gleichungen (2), (3) und (4) zu einer einzigen Gleichung verbinden und vereinfachen:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 1

Die Temperatur der heißen Betriebsflüssigkeit TH wurde aus der Formel herausgenommen. Da die Flüssigkeitstemperatur aus dieser Gleichung entfernt wurde, brauchen wir die Durchsatzraten und Wärmeleistungen der Flüssigkeit nicht zu berechnen. Es bleibt nur die gewünschte Oberflächentemperatur der Kühlplatte sowie die Temperatur der Umgebungsluft, die den Wärmetauscher kühlt, und die Leistung wird vollständig ausgedrückt durch den Wärmewiderstand der Kühlplatte und des Wärmetauschers. Daher brauchen wir die einzelnen Komponenten des Systems nicht mehr zu analysieren. Statt dessen bestimmen wir den Wärmewiderstand des gesamten Systems, SYSTEM. Zu beachten ist, dass der Strömungseffekt nicht aus dem Ergebnis ausgeschlossen wurde, weil er bereits in den Werten für den Wärmewiderstand enthalten ist.

Ein Kunde möchte eine Press-Lock™ CP12 von Lytron verwenden. Das ist eine 12 Zoll (30,48 cm) Kühlplatte (Plattenseite). Mit dieser Kühlplatte will der Kunde 1200 W Wärme von einem elektronischen Gerät mit den Maßen 12 Zoll x 5 Zoll (30,48 cm x 12,70 cm) ableiten. Als Kühlmittel wird 1 gal/min (3,785 l/min) Wasser verwendet, und die Raumtemperatur beträgt 20°C. Der Kunde möchte einen möglichst kleinen Wärmetauscher, der die von diesem Gerät erzeugten 1200 W Wärme ableiten kann. Die Oberflächentemperatur soll maximal 80°C betragen. 

Schritt 1: Zuerst bestimmen wir den Wärmewiderstand des Systems, formulaImage2 SYSTEM:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 5

Schritt 2: Wir können eine beliebige Kombination aus Kühlplatten und Wärmetauschern verwenden, deren Wärmewiderstand kleiner oder gleich dem Wärmewiderstand des gesamten Systems ist. Mit anderen Worten:

 Flüssigkeitskühlung Gleichung 6

Schritt 3: Tabelle 1 zeigt den Widerstand und die Durchsatzraten der CP12 Kühlplatte und drei verschiedene Wärmetauscher-/Lüfter-Kombinationen:

Tabelle 1

Durchsatz-
rate
(gal/min)

 formulaImage3
(CP12)
(°C/W)

 formulaImage4
(6110 mit Muffin XL Lüfter)
(°C/W)

 formulaImage4
(6210 mit Falcon Lüfter)
(°C/W)

 formulaImage4
(6210 mit Patriot Lüfter)
(°C/W)

0.5

0.013

0.049

0.018

0.019

1.0

0.009

0.046

0.016

0.017

1.5

0.007

0.044

0.015

0.016

2.0

0.006

0.042

0.015

0.016

Tabelle 1 zeigt, dass die Kombination von CP12 und 6110 die Bedingung 0,050 °C/W bei 2 gal/min erfüllt (0,006°+°0,042°=°0,048°<°0,050). Dasselbe gilt für die Kombinationen von CP12 und 6210 bei 0,5 gal/min (0,013°+°0,018°<°0,050 und 0,013°+°0,019°<°0,050), 1,0 gal/min, 1,5 gal/min und 2,0 gal/min. Diese Technik lässt sich auf alle Kühlplatten und Wärmetauscher von Lytron anwenden. (PDF mit Wärmewiderständen der Standard-Kühlplatten und -Wärmetauscher von Lytron: hier klicken.) 

Wenn wir uns das Gesamtsystem ansehen, können wir sehen, wie sich die Komponenten gegenseitig beeinflussen. So können wir zum Beispiel sehen, welche Rolle die Durchsatzrate bei der Auswahl des Wärmetauschers spielt. Bei niedrigen Durchsatzraten erhöht sich der Wärmewiderstand der Kühlplatte. Dies erfordert einen größeren Wärmetauscher mit höherer Wärmeleistung und somit einem geringeren Wärmewiderstand. Bei höheren Durchsatzraten genügt ein kleinerer Wärmetauscher.

Flüssig/Luft-Wärmetauscher und Kühlplatten werden oft in einem Flüssigkeitskreislauf kombiniert. Darum ist es wichtig, sich klar zu machen, wie man die Komponenten gleichzeitig so auswählen kann, dass die Systemleistung optimiert wird. Mit präzisen Spezifikationen und einer vereinfachten Gleichung können Sie die Komponenten in Ihrem Flüssigkühlkreislauf relativ einfach auswählen. Einen weiteren Vorteil genießen Sie, wenn Sie Komponenten von demselben Hersteller für Wärmetechnik auswählen. Denn dann verwenden Sie Komponenten, die nach ähnlichen Maßstäben getestet wurden und von denen zu erwarten ist, dass sie gut miteinander funktionieren.