Ermittlung der richtigen Größe von Wärmetauschern für Kühlplattenanwendungen


Schnellanforderung



Berechnung des Wärmewiderstands eines Wärmetauschers



Bei vielen Flüssigkühlkreisläufen wird die Wärme, die von einer Kühlplatte aufgenommen wird, über einen Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgegeben. Abbildung 1 zeigt eine typische Flüssigkühlschleife mit Kühlplatte (CP), Pumpe und Wärmetauscher (HX), die mit Schläuchen oder Rohren verbunden sind. Da die Bauteile zum Systems gehören, ist es wichtig, sie gleichzeitig auszuwählen, um sicherzustellen, dass sie die richtige Größe für die gewünschte Anwendung haben. Hersteller stellen Leistungsangaben für Kühlplatten und Wärmetauscher üblicherweise separat zur Verfügung. Dabei wird die Leistung von Kühlplatten in Wärmewiderstand und die von Wärmetauschern in Wärmekapazität angegeben. Wie wählt man also die besten Wärmetauscher und Kühlplatten für ein komplettes System? Das ist einfacher, als Sie denken. Die Gleichungen für die Bestimmung der richtigen Kombination aus Kühlplatte und Wärmetauscher lassen sich nämlich auf ein sehr einfaches Format reduzieren:



Der erste Schritt, um zu dieser Gleichung zu gelangen, besteht darin, den Wärmewiderstand θCP der Kühlplatte zu berechnen. Dieser ist definiert als der Unterschied zwischen der maximal erforderlichen Oberflächentemperatur TS, MAX und der Austrittstemperatur der Flüssigkeit TH dividiert durch den gleichmäßig über die gesamte Kühlplattenoberfläche verteilte Wärmestrom Q:



Auf gleiche Weise wird die Wärmekapazität CHX eines Wärmetauschers, die definiert ist als der Wärmestrom Q dividiert durch den Temperaturunterschied zwischen den beiden einfließenden Flüssigkeiten TH -TAIR, von der folgenden Gleichung beschrieben:



Die Wärmekapazität entspricht auch dem Kehrwert des Wärmewiderstands:



Wenn davon ausgegangen wird, dass keine Wärmegewinne von der Pumpe oder Wärmeverluste durch die verbindenden Schläuche und Rohre zwischen Kühlplatte und Wärmetauscher entstehen (da diese in der Regel vernachlässigbar sind), können die Gleichungen (2), (3) und (4) in eine einfache Gleichung vereint werden:



Die Temperatur der Prozessflüssigkeit TH ist nicht länger Teil der Formel, da die Flüssigkeitstemperatur aus der Gleichung entfernt wurde. Durchflussraten und Wärmekapazität der Flüssigkeit müssen nicht berechnet werden. Es verbleiben nur die gewünschte Oberflächentemperatur der Kühlplatte sowie die Temperatur der Umgebungsluft, die den Wärmetauscher kühlt. Die Leistung hängt vollständig vom Wärmewiderstand der Kühlplatte und des Wärmetauschers ab. Somit müssen wir nicht weiter die einzelnen Bauteile des Systems analysieren. Stattdessen bestimmen wir den Wärmewiderstand des gesamten Systems. Beachten Sie bitte, dass der Effekt des Durchstroms nicht aus dem Ergebnis entfernt wurde, da er bereits Teil der Wärmewiderstandvariablen ist.

Ein Kunde möchte eine Kühlplatte CP12 von 12 Zoll (30,48 cm) Seitenlänge nutzen, um 1200 W Wärme von einem elektronischen Gerät mit den Maßen 12 x 5 Zoll (30,48 x 12,70 cm) abzuführen. Als Kühlmittel kommt Wasser mit 1 gpm (3.785 l/min) zum Einsatz, die Raumtemperatur beträgt 20 °C. Der Kunde wünscht den kleinsten Wärmetauscher, der die von diesem Gerät generierte 1200 W Wärme abführen kann und dabei eine maximale Oberflächentemperatur von 80 °C beibehält.

  • Schritt 1: Zunächst bestimmen wir den Wärmewiderstand, θSYSTEM:



  • Schritt 2: Jegliche Kombinationen aus Kühlplatte und Wärmetauscher, die einen Wärmewiderstand gleich oder geringer der Systemanforderungen aufweisen, können genutzt werden. Anders ausgedrückt:


  • Schritt 3: Tabelle 1 zeigt den Widerstand und die Durchflussraten der Kühlplatte CP12 sowie zwei verschiedener Kombinationen von Wärmetauscher und Lüfter:


Tabelle 1

Durchflussrate (gpm)

θCP (CP12) (°C/W)

θHX (6110 mit Kona-Lüfter) (°C/W)

θHX (6210 mit Marin-Lüfter) (°C/W)

0,5

0,01

0,05

0,02

1

0,01

0,05

0,02

1,5

0,01

0,04

0,02

1,5

0,01

0,04

0,02

2

0,01

0,04

0,02



In Tabelle 1 sieht man, dass die Kombination CP12/6110 die Bedingung von 50 °C/W bei 2 gpm erfüllt (0,01 + 0,04 = 0,05).

Wenn wir das System als Ganzes betrachten, sehen wir Austauschbeziehungen zwischen verschiedenen Bauteilen, beispielsweise wie sich die Durchflussrate auf die Wahl des Wärmetauschers auswirkt. Bei niedrigen Durchflussraten nimmt der Wärmewiderstand der Kühlplatte zu. Dadurch wird ein größerer Wärmetauscher mit höherer Wärmekapazität und somit niedrigerem Wärmewiderstand erforderlich. Bei höheren Durchflussraten kann ein kleinerer Wärmetauscher verwendet werden.

Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher und Kühlplatten werden oft in Flüssigkeitskreisläufen verwendet. Es ist also wichtig, zu verstehen, wie man die Bauteile gleichzeitig auswählt, um die Systemleistung zu optimieren. Mit genauen Spezifikationen und einer vereinfachten Gleichung kann es aber recht einfach sein, die Bauteile für Ihre Flüssigkeitskühlschleife zu wählen. Darüber hinaus können Sie, wenn Sie Bauteile des gleichen Anbieters verwenden, Komponenten einsetzen, die auf ähnliche Weise getestet wurden und bei denen somit die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass sie in einem System gut zusammenarbeiten.


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