Versorgungs- & Verbindungstechnik Auf die richtige Kühlung kommt es an

Kann eine Lüfterkühlung bei steigender Leistungs- und Abwärmedichte noch mit Luft-/Wasser-Wärmetauschern konkurrieren? Eine Frage, die sich immer wieder stellt und die nicht allgemein zu beantworten ist. Im Einzelfall müssen die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Kühlmethoden hinsichtlich Kühlleistung, Komplexität, Bauraum, Zuverlässigkeit, Installation- und Betriebskosten sowie Verfügbarkeit untersucht werden. Eine Wärmeübertragung erfolgt auf drei Arten: Leitung (der Wärmeaustausch erfolgt zwischen benachbarten Teilchen), Konvektion (die erwärmte Teilchenmenge wird abtransportiert) und Strahlung (die Wärmeübertragung erfolgt ohne Materie durch elektromagnetische Wellen).Die beiden ersten Arten der Wärmeübertragung sollen in diesem Artikel genauer betrachtet werden. Der Einfluss der Wärmestrahlung wird nicht berücksichtigt.

Unterschiedliche Leitfähigkeit

Kühlsysteme haben die Aufgabe, die Temperatur eines Objektes auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren und sie 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 und 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. In vielen Fällen wird die entstandene Wärme daraufhin an ein Trägermedium übertragen und abtransportiert.Der Begriff Wasser- oder Flüssigkeitskühlung bezeichnet Systeme, bei denen das wärmeabführende Kühlmittel eine Flüssigkeit, zum Beispiel 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 Techniken, wie Kühlung durch Verdampfen von Flüssigkeiten in Kältemaschinen werden nicht berücksichtigt. Für eine gute Wärmeübertragung sind die Stoffeigenschaften der beteiligten Materialien entscheidend. Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen liegt ungefähr zwischen 10W/mK(Edelstahl) und 400W/mK(Silber), die von Wasser bei etwa 0,6W/mKund von Luft bei etwa 0,02 bis 0,04W/mK. Luft ist also in Bezug auf Wärme ein guter Isolator. Nur in unmittelbarer Umgebung der erwärmten Oberfläche, der Grenzschicht, wird auch die Luft erwärmt. Wasser bietet hier eine Verbesserung, denn die Wärmeleitfähigkeit ist etwa 30-mal größer als die von Luft und kann eine Oberfläche entsprechend besser kühlen. Um die Kühlung weiter zu verbessern, muss die thermische Grenzschicht abtransportiert werden. Soll Luft als Kühlmedium verwendet werden, ist es oft möglich, die erwärmte Luft einfach in die Umgebung zu leiten; eine Methode, die sich im Falle von Flüssigkeiten schwieriger realisieren lässt. Während eine Luftkühlung schon durch den Einsatz von Ventilatoren deutlich verbessert werden kann, erfordert eine Flüssigkeitskühlung - außer es handelt sich um einen offenen Kreislauf - in der Regel einen höheren Installationsaufwand für das geschlossene System aus Pumpe, Rohren und Kühler. Für einen guten Transport, muss der Wärmeübergang zwischen den einzelnen Materialien, besonders zwischen Wand und Fluid möglichst groß sein. Das kann erreicht werden, indem die Wärmeleitfähigkeit des Fluids erhöht wird oder die Strömungsgrenzschicht dünn und turbulent gehalten wird. Im Vergleich zu laminaren Strömungsgrenzschichten haben turbulente Grenzschichten bessere Wärmeübergangskoeffizienten, sodass sich die umgebende Luft schnell erwärmen kann. In der weiteren Umgebung kann sich die erwärmte Luft anschließend mit kälterer Umgebungsluft durchmischen.

Wärme aufnehmen

Im Vergleich zum Wärmeübergang zwischen Wasser und Festkörper ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und einem Festkörper etwa 50- bis 100-mal kleiner. Im Gegensatz zur Wasserkühlung erfordert die Luftkühlung daher eine größere Kontaktfläche zwischen beiden Medien, die durch Kühlrippen erhöht werden kann und höhere Strömungsgeschwindigkeiten, die gegebenenfalls durch ein Kühlgebläse sichergestellt werden können. Das Kühlmedium kann solange Wärme aufnehmen, bis die Temperatur des Mediums gleich der zu kühlenden Oberfläche ist. Es muss also immer für genügend Kühlmittelfluss gesorgt oder ein Kühlmittel mit höherer Wärmekapazität gewählt werden. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt etwa 4182J/kg/K und ist damit mehr als viermal so groß wie die von Luft 1005J/kg/K, bei isobarer Zustandsänderung. Werden die unterschiedlichen Dichten 1000kg/m ³bei Wasser und 1,2kg/m ³bei Luft berücksichtigt, wird deutlich, wie viel weniger Volumen bewegt werden muss, um die gleiche Kühlung zu erhalten. Damit kann Wasser gut zur Kühlung eingesetzt werden, wenn nur sehr kleine Spalte und Kanäle zur Verfügung stehen.

Konstruktiver Aufwand

Demgegenüber steht ein erhöhter konstruktiver Aufwand, die Kühlflüssigkeit an den Ort zu bringen, von dem die Wärme schlussendlich in die Umgebung abgeführt werden soll. Dazu werden oft Schläuche oder starre Rohrleitungen eingesetzt, die einen Wärmetauscher mit einer oder mehrere Wärmequellen verbinden. Je komplexer ein System, desto anfälliger ist es. Leckagen in flüssigkeitsführenden Systemen führen in vielen Fällen zum Ausfall der Komponenten. Je mehr bewegte Bauteile benötigt werden, desto geringer ist die Lebensdauer des Kühlsystems, was gegen die verbesserte Leistung der gekühlten Komponente gegengerechnet werden muss. Zum Transport des benötigten Kühlmittelmassenstroms muss ein Strömungswiderstand überwunden werden. Im Falle einer Flüssigkühlung muss die Pumpe den Druckverlust der Leitungen und den an der Wärmequelle überwinden, bei einer Luftkühlung ist der Systemwiderstand der Anlage zu überwinden. Für die Flüssigkeitskühlung muss eine Pumpe angetrieben werden und eventuell am Wärmetauscher zusätzlich ein Lüfter. Bei einer reinen Luftkühlung ist die aufzubringende Leistung proportional zum benötigten Kühlluftstrom und dem zu überwindenden Druckverlust. Eine strömungsverbesserte Luftführung mit geringem Druckverlust wirkt sich also direkt auf den erforderlichen Leistungsbedarf aus. Leckagen in luftgekühlten Systemen wirken sich nur nachteilig auf Lüfterleistung und -geräusch aus, führen aber nicht zum Ausfall des Systems. In einigen Fällen ist die Kühlung in sekundären Bereichen sogar erwünscht, wobei mit Flüssigkeiten immer nur dort gekühlt werden kann, wo sie auch hingeführt wird. Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Installations- und Betriebskosten, Sicherheitsaspekte sowie der benötigte Bauraum und das emittierte Geräusch sind neben der primären Kühlfunktion wichtige Faktoren bei der Auswahl einer Kühlmethode. Auch in Zukunft werden Lüfter eine zentrale Rolle spielen, wenn eine effiziente und zuverlässige Kühlung gefordert wird.