Lüfter Lüfterkühlung vs. Wärmetauscher

Kann Lüfterkühlung bei steigender Leistungs- und Abwärmedichte noch konkurrieren mit Luft/Wasser-Wärmetauschern? Eine Frage, die sich immer wieder stellt und die nicht allgemein zu beantworten ist. Es gilt im Einzelfall die Vor- und Nachteile in Frage kommender Kühlmethoden hinsichtlich Kühlleistung, Komplexität, Bauraum, Zuverlässigkeit, Installation- und Betriebskosten und Verfügbarkeit gegeneinander abzuwägen.

Anbieter zum Thema

Lenord, Bauer & Co. GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

microsonic GmbH

ebm-papst St. Georgen GmbH & Co. KG

Wärmeübertragung erfolgt im Allgemeinen auf drei Arten: bei der Leitung erfolgt der Wärmeaustausch zwischen benachbarten Teilchen, bei der Konvektion wird die erwärmte Teilchenmenge abtransportiert und Strahlung nennt sich die Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen [1]. Im folgenden sollen nur die beiden ersten Arten der Wärmeübertragung betrachtet werden, der Einfluss der Wärmestrahlung soll hier nicht betrachtet werden.

Einfache Kühlungsaufgabe nutzt Temperaturgefälle

Kühlsysteme haben die Aufgabe, die Temperatur eines Objektes auf eine gewünschte Temperatur zu reduzieren, bzw. die Temperatur in vorgegebenen Grenzen zu halten. Im einfacheren Fall einer Kühlungsaufgabe wird dazu das Temperaturgefälle zwischen der heißen Quelle und einer Referenz mit geringerer Temperatur genutzt. Der dadurch entstehende Wärmestrom hängt ab von der Wärmeleitfähigkeit der Materialien bzw. der Fähigkeit erwärmte Materie zu transportieren. Betrachtet man die Kette zwischen Wärmequelle und –senke, so wird die Wärme zunächst von verschiedenen Materialien aufgenommen und weitergeleitet.

Kühlung mittels Flüssigkeit

Häufig wird die Wärme dann an ein Trägermedium übertragen und abtransportiert. Wasser- oder Flüssigkeitskühlung bezeichnet Systeme, bei denen das wärmeabführende Kühlmittel eine Flüssigkeit wie etwa Wasser ist. Im Falle von Luftkühlung wird die Wärme von der Luft aufgenommen und transportiert. An dieser Stelle soll nur auf prinzipielle Eigenschaften von Luft – und (einphasiger) Flüssigkeitskühlung eingegangen werden. Andere Technologien, z. B. Kühlung durch Verdampfen von Flüssigkeiten in Kältemaschinen werden hier nicht betrachtet. Detailliertere Beschreibungen und Methoden der Berechnung und Auslegung finden sich in weiterführender Literatur [3], [4].

Flüssigkeitskühlung erfordert erhöhten Konstruktionsaufwand

Für eine gute Wärmeübertragung sind also die Stoffeigenschaften der beteiligten Materialien entscheidend. Die Wärmeleitfähigkeit λ von Metallen liegt etwa zwischen 10 W/m*K (Edelstahl) und 400 W/m*K (Silber), die von Wasser bei etwa 0,6 W/m*k und von Luft bei etwa 0,02 bis 0,04 W/m*K [1]. Luft ist also in Bezug auf Wärme ein guter Isolator. Nur in unmittelbarer Umgebung der erwärmten Oberfläche, an der Grenzschicht, wird auch die Luft merklich erwärmt [2]. Hier bietet Wasser eine wesentliche Verbesserung. Weil dessen Wärmeleitfähigkeit etwa um den Faktor 30 größer ist als die von Luft, kann eine Oberfläche entsprechend besser gekühlt werden. Um die Kühlung weiter zu verbessern, muss die thermische Grenzschicht abtransportiert werden.

Soll Luft als Kühlmedium verwendet werden, ist es vielfach möglich, die erwärmte Luft einfach in die Umgebung zu leiten; eine Methode, die sich im Falle von Flüssigkeiten normalerweise schwieriger realisieren lässt. Während eine Luftkühlung schon durch den Einsatz von Ventilatoren deutlich verbessert werden kann, erfordert eine Flüssigkeitskühlung in der Regel einen höheren Installationsaufwand für das geschlossene System aus Pumpe, Rohren und Kühler – wenn es sich nicht um einen offenen Kreislauf handelt.

(ID:39646470)