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Konvektion
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Geschrieben: 03.05.2008 um 19:24 von Obi Wan

Kategorie: Physik / Wärme in Formel und Erläuterung

Beispiel für Konvektion


Die Berechnung ist an einige Bedingungen geknüpft. Mein Rechenbeispiel und die damit errechnete Konstante ist also nur für mein System berechnet und anwendbar. Das Rechenbeispiel verdeutlicht aber einen leicht nachvollziehbaren Weg, den jeder beschreiten kann, um diese Konvektionskonstante für sein eigenes System berechnen zu können. Die Berechnung bezieht sich auf einen XP 2000+ mit boxed Kühlkörper und Lüfter. Jetzt hat sich der eine oder andere schon gefragt, warum ich hier so relativ einfach rechne. Das liegt daran, dass mein Kühlkörper einfach aus vielen parallel zueinander stehenden senkrechten Einzelplatten besteht. Andere Kühlkörpergeometrien verlangen natürlich eine (leider) kompliziertere Rechnung.



Konvektion in Kurzform


Die nebenstehende Abbildung soll einmal den physikalischen Vorgang der Konvektion ein wenig veranschaulichen. Die Konvektionsflächen haben hier die Fläche A=a*b. Da nun die Natur das Bestreben hat überall die gleiche Temperatur zu haben, erfolgt nun die Wärmeabgabe des wärmeren Stoffes an den Kälteren. Dies verdeutlichen die kleinen Pfeile zwischen den Platten. Dabei entsteht ein äußerer Luftstrom, da Wärme ja nach oben steigt. Die kalte Luft von unten steigt also nach oben und reißt sozusagen die Wärme dazwischen mit sich. Und genau diesen Luftstrom kann man mittels der Konvektionskonstante positiv beeinflussen, indem man die Luft einfach beschleunigt (Lüfter).


Abhängigkeiten, unberücksichtigt
  • Wärmeleitpads oder der -paste (therm. Verhalten)
  • Kühlkörper (therm. Verhalten)
  • Förderleistung des Lüfters (Volumenstrom, meist angegeben in m³/h)

Die jeweiligen Bauelemente nehmen natürlich auch Wärme auf, und geben Sie auch an die Umgebung ab. Diese Wärmeabgabe vernachlässige ich, da sie einerseits schwer zu berechnen ist, entsprechende Rechengrößen fehlen und im Vergleich zum Hauptwärmeübergang sehr viel kleiner zu erwarten sind.


Messgrößen
  • CPU-Temperatur (z.B. durch MBM)
  • Temperatur der angesaugten Luft (einfaches digitales Thermometer reicht) elektrische Leistung (Verlustleistung der CPU - siehe Datenblatt)

Formel

Ausgangsgrößen

Rechnung/Ergebnis


ANMERKUNG:

Das Ergebnis liegt erst einmal im erwarteten Bereich. Für erzwungene Konvektion von Luft muss der Zahlenwert zwischen 10...100 liegen, wobei 10 die Grenze für freie (also "ruhende") Luft ist. Je schneller der Lüfter dreht, umso größer muss dann auch der Zahlenwert sein. Mein CPU-Lüfter dreht so um die 5000 U/min als Vergleich - Der Volumenstrom ist aber leider nicht angegeben, was dann einen Vergleich wieder nur bedingt zulässt.



Dieses Ergebnis kann man nun nutzen, um die CPU-Verlustleistung in bestimmten Betriebszuständen anhand einer einfachen Temperaturmessung ermitteln.



Gleiche Berechnungen lassen sich hiermit auch auf einen Wärmetauscher anwenden. Wenn dieser ohne Lüfterunterstützung arbeitet - oder arbeiten soll - so kann man folgende Konvektionskonstante verwenden:





Wir machen Euch kalt ...aber leise!


[02/04, Nico]
Zuletzt aktualisiert: 12.08.2009


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