Temperaturdifferenzen und Loopreihenfolge - Ein technischer Ansatz

[ebastler]

Wer sich mit Wasserkühlung beschäftigt, stößt früher oder später gezwungenermaßen auf ein Thema - Temperaturdifferenzen zwischen Block Ein- und Ausgang, bzw die eng damit verbundene Frage "Ändert die Reihenfolge im Loop was"?

Die allgemein verbreitete Meinung ist "völlig egal" und ich wurde mehr als einmal veralbert als ich meinte, dass es hart am Limit (1-2 °C vor dem thermal throttling) durchaus Unterschiede macht, wie der Loop verschlaucht ist. Nun habe ich mich mal an das Thema gesetzt und es sowohl physikalisch einmal schnell durchgerechnet, als auch versucht messtechnisch zu überprüfen.
Meine Messung war leider etwas zu kurz, da ich kurz vor dem Hitzetod bei 30+ °C Raumtemperatur stand, aber - kleiner Spoiler - sie bestätigt meine Rechnung fast perfekt.

TL;DR für alle die sich den Technischen Kram sparen wollen: Auswirkungen sind vorhanden, aber recht gering. Nach einer GPU mit 300 W Verbrauch ist das Wasser bei 75 l/h ca. 3,6 °C wärmer als davor. Im statischen Fall (also konstante Abwärme, Wasser hat sich eingependelt) wäre die CPU direkt nach der GPU also grob 3,6 °C wärmer, als vor der GPU oder mit einem Radiator dazwischen. Bei 150 l/h halbiert sich die Differenz.

Rechnung im Spoiler:

Spoiler

Was ich gemacht hab ist, anhand des Durchflusses zu bestimmen, wie viele kg Wasser pro Sekunde durch den Block fließen. Über die spezifische Wärmekapazität des Wassers kann ich nun ausrechnen, um wie viel sich dieses Wasser erwärmen müsste, um die 300 W der GPU aufzunehmen. Dies entspricht bei meinem Beispiel ca. 3,6 K Differenz zwischen GPU Block Eingang und Ausgang (wohlgemerkt im statischen Zustand, wenn sich alle Temperaturen eingependelt haben und nichts mehr wärmer wird).



Dies ist ein stark vereinfachtes Modell, allerdings eines das keine relevante Abweichung von der Realität haben sollte, da geometrie des Blocks und so weiter keinen Einfluss auf die zu Grunde liegende Thermodynamik haben. Da die meisten Kühlmittel kein reines Wasser sind, sollte C_w sogar etwas niedriger (und der Unterschied damit größer) ausfallen. Da ich aber kaum konkrete Daten finden konnte, hab ich es bei Wasser belassen.

Die Temperatur am Ende des Loops bleibt dabei immer gleich, da die Rechnung für die Komponenten, aber mit umgekehrtem Vorzeichen auch für die Radiatoren gilt, das sollte sich (immer im statischen Fall nach Einpendeln der Temperaturen von dem ich hier ausgehe) aufheben. Mehr Flow senkt das Delta an allen Teilen im Loop, weniger Flow erhöht es. Wohlgemerkt rede ich hier NUR vom Delta Eingang zu Ausgang. NICHT von dem zwischen DIE und Wasser, oder Wasser und Luft. Dieses verhält sich deutlich unvorhersehbarer, Turbulenzen und Flowdesign spielen wichtige Rollen usw...

Messungen im Spoiler:

Spoiler

Messaufbau :
AGB + D5 Top -> 980Ti -> 360er -> 5960X -> 360er -> AGB
Hierbei habe ich am Eingang des AGBs einen Sensor ("AGB_in"), sowie am Ausgang der GPU ("GPU_out"). Diese beiden habe ich verwendet um die Temperatur vor und nach der GPU zu messen. Da die GPU aber nicht das Wasser direkt vom AGB Sensor, sondern erst mal aus dem AGB kriegt, ist es wichtig, dass der Loop lange genug statisch eingependelt läuft, dass das Wasser das in den AGB fließt die selbe Temperatur wie das drinnen hat. Man sieht den Unterschied gut, sobald der Bench aufhört. AGB_in sinkt hierbei schneller ab als GPU_out, da die GPU weiterhin warmes Wasser aus dem Behälter kriegt.

Die Sensoren sind nicht kalibriert, aber weisen im Idle (~20W GPU) beinahe identische Werte (0,3-0,5°C mehr am Ausgang) auf, was sehr sinnvoll wirkt. Da das Wasser bei Volllast nicht wirklich wärmer wird (44° vs 40°) sollte die Kalibrierungskurve der Sensoren hier noch zu keiner nennenswerten Abweichung führen.

Messablauf:
Ich habe die CPU mit dem CPU-Z Stresstest belastet, damit ich das Wasser auf grob 40°C bringe, da mein PID Regler der Lüfter versucht, diese Temperatur (am AGB_in Sensor) zu halten. Daraufhin habe ich den Unigine Superposition (1080p Extreme Preset) gestartet und einmal durchlaufen lassen.

Die Abweichung der beiden maximalen Wassertemperaturen (3,3 K), sowie die Abweichung im Idle (0,3-0,5 K) habe ich festgehalten.



Abschließende Gedanken:
Diese Messung war zu kurz um wirklich zuverlässig zu sein. Ich wollte eigentlich einen Stresstest laufen lassen statt eines einzelnen Benches, aber die unmenschlich hohe Raumtemperatur hat mich davon abgehalten, daher muss die (sehr kurze) konstante Messung kurz bevor der Bench zu Ende war reichen. Da meine GPU etwas unter 300 W braucht (ich schätze eher um die 250), war die Messung erstaunlich nahe am theoretischen Wert dran, und ich sehe es trotz der großen Toleranz als Bestätigung meiner Rechnung an. Ich würde die dennoch gern sobald es etwas kälter ist wiederholen.

Ich denke, man kann abschließend sagen, dass meine Rechnung (3,6 K Differenz) und Messreihe (3,3 K Differenz) im Rahmen der erwarteten Toleranzen hervorragend zusammenpassen. Für ein schnelles "Ich will das jetzt mal wissen" Projekt am Mittwoch Abend erstaunlich aufschlussreich. Man kann denke ich sagen, dass die Loopreihenfolge ziemlich zweitrangig ist. 3°C mehr oder weniger an der CPU oder GPU sind in fast jedem Fall ein absolut vernachlässigbarer Wert. Nur wenn man wirklich hart ans Limit des Thermal Throttling hin übertaktet oder ultra low flow (50 l/h oder weniger) fahren will, kommen wir in einen Bereich, wo die Reihenfolge relevant für die Temperaturen wird.

Zum Abschluss habe ich noch die Rechnung in eine Excel Tabelle gepackt, dass jeder Neugierige Bastler seine eigenen GPU oder CPU Verbrauchswerte (sowie den Durchfluss) eintragen und das Ergebnis berechnen lassen kann: http://mpwr.xyz/gallery/2019/06/Temperaturdifferenz_WaKu_Block.xlsx

Ich hoffe, meine Abhandlung hat den Einen oder Anderen interessiert! Vielleicht hat ja jemand sogra zwei kalibrierte Sensoren und einen Durchflusssensor im PC und kann es nachmessen.

MfG, ebastler

 

[Kazuja]

Man sieht ja jetzt schön an den Aqua Computer Signaturen hier im Forum da die Temperaturen vor und nach den Wärmequellen um 1 K pendeln.
Natürlich ausreichend Radi Fläche ala Mora und ko vorausgesetzt.

Danke für deinen Versuch und den Bericht dazu .

Grüße Kazuja

 

[Dampfkanes]

Der Radiator hat keinerlei Einfluss auf das Delta zwischen dem Wasser vor und nach dem Radi. Dieses delta hängt nur an der abzuführenden Wärmemenge und dem Durchfluss.
Formel hierzu siehe Post von ebastler.

Der Radiator beeinflusst bei gegebener Last nur die mittlere Wassertemperatur, bei der er diese Last abführen kann.

Wenn Du in den Signaturen deltas von nur 1Grad siehst, dann haben die entweder einen sehr hohen Durchfluss und/oder idlen gerade.

 

[Kazuja]

Achso gut ich beobachte das mal grüße Kazuja

 

[ebastler]

Das stimmt. Die Summe aller Deltas über Radiatoren muss der über alle Komponenten entsprechen. Mehr Fläche ändert nichts an Delta, sondern nur an der Temperatur im Kreislauf (mehr Wassertemperatur -> Radaitor kann mehr Energie abführen).

Ob ich einen 120er oder 5 MoRas hab ändert nur die Temperatur des Wassers im Gleichgewicht (und die Lautstärke), nicht aber das Delta über die Radiatoren.

 

[Tzk]

Joa, der Test brachte jetzt ein durchaus erwartetes Resultat. Natürlich muss die Reihenfolge der Komponenten einen Einfluss haben wenn der Durchfluss entsprechend gering ist. Das kann man entweder mit einem extrem hohen durchfluss kompensieren oder mach wählt die Reihenfolge der Komponenten so, das die kritischste Komponente als Erstes angeströmt wird. Die ermittelten 3K halte ich übrigens für mehr als akzeptabel

Der Radiator hat keinerlei Einfluss auf das Delta zwischen dem Wasser vor und nach dem Radi. Dieses delta hängt nur an der abzuführenden Wärmemenge und dem Durchfluss.

Bei gegebener abzuführender Energiemenge macht der Radiator sehr wohl einen Unterschied. Allerdings (wie du auch korrekt ausführst) nicht für das Delta des Wassers (vor/nach Radiator) ansich, sehr wohl aber für die absolute Wassertemperatur im Kreislauf. Der Radiator sorgt für das Delta zwischen Luft und Wasser, was dann sehr direkt auch in die Cpu und Gpu Temperatur beeinflusst.

 

[hithunter]

Also die Temperaturdifferenz des Radiators zwischen Einlass und Auslass wird freilich über dessen Kühlleistung und somit Größe bestimmt. Und die Kühlleistung hängt wiederrum vom Durchfluss, dem Luftdurchsatz und der Fläche ab. Ist die Kühlleistung hoch, der Durchfluss aber gering, kühlt das Wasser umso mehr ab und umso höher ist die Temperaturdifferenz. Ist die Kühlleistung gering, der Durchfluss aber hoch, kühlt das Wasser kaum ab. Das gleiche bei den Komponenten, ist der Wärmeintrag gering, der Durchluss aber hoch, erwärmt sich das Wasser kaum. Das ganze gleicht sich solange aus, bis Bilanz von Erwärmung = Abkühlung erfüllt ist und sich dann ein Temperaturniveau einstellt.

Aber was ist daran jetzt die Erkenntnis, das ist doch alles schon lange bekannt. Ok vielleicht ist das Forum hier auch etwas rückschrittlich, man weiß es nicht.

 

[AG1M]

Ich habe mehr aus "Spieltrieb" heraus an meinem MO-RA3 420 Ein- und Ausgang einen Temperatursensor verbaut, nach 1 Stunde Volllast (Pumpenleistung und Lüfterleistung bleibt dabei immer gleich) vom System sind zwischen Eingang und Ausgang 0,5 - 0,7K Unterschied, im Leerlauf 0,1 - 0,3K, also wirklich absolut in der unteren Messtoleranz.

 

[ebastler]

Also die Temperaturdifferenz des Radiators zwischen Einlass und Auslass wird freilich über dessen Kühlleistung und somit Größe bestimmt

Nein, im statischen Zustand (der einzige der wirklich interessant ist zu betrachten) nicht. Da ist der Unterschied zwischen Einlass und Auslass immer der selbe. Egal welcher Radiator verbaut ist.
Ein größerer Radiator erlaubt, den statischen Zustand bei niedrigerer Temperatur oder niedrigerer Lüfterdrehzahl zu erreichen, aber die Größe hat keinen Einfluss aufs Delta.

Aber was ist daran jetzt die Erkenntnis, das ist doch alles schon lange bekannt. Ok vielleicht ist das Forum hier auch etwas rückschrittlich, man weiß es nicht.

Die Erkenntnis ist, dass ich konkrete Zahlen und eine halbwegs sinnvolle Formel genannt hab - etwas das ich bisher weder in Englisch- noch deutschsprachigen Foren je gesehen hab. Gerade im englischen Raum kursiert so unglaublich viel Halbwissen, aber auch bei uns teilweise. "Das Wasser ist im Gleichgewicht überall im Loop genau gleich warm" habe ich mehr als einmal gelesen, und wurde auch schon ausgelacht als ich widersprochen hab...

 

[hithunter]

Dann bitte noch mal nach messen. Wenn der Radiator immer größer und somit länger wird hat das freilich einen Einfluss und das Wasser kühlt immer mehr ab. Ob der Radiator nun 1 mm oder 300 mm lang ist, macht einen bedeutenden Unterschied.

Sehr gut sieht man das z.B hier, Minute 27:35

rot = warm, blau = kalt

Neue Ladeluftkühler für die RS4 Limo! - Zu Besuch bei Wagner Tuning Teil 1 | Philipp Kaess | - YouTube

Ansonsten schaust Du mal bei Computerbase vorbei, das gibt es genug solcher Threads z.B.

Leserartikel - Durchfluss vs Temp @ Netzradi | ComputerBase Forum

Oder hier habe ich noch einen gefunden:

Leistung von Radiatoren aktiv/passiv abschätzen | ComputerBase Forum

 

[ebastler]

Du meinst das Thema sei irrelevant und erkennst die Idee dahinter selber nicht... Natürlich kühlt ein größerer Radiator mehr Energie weg. Das hab ich auch nie bestritten.

Aber im konstanten Fall, wo der Kreislauf weder wärmer noch kälter wird, sondern konstant bleibt, darf der Eingang und Ausgang des Radiators nicht von seiner Größe oder der Lüfterdrehzahl abhängen. Dann wäre es kein statischer Zustand mehr, sondern der Loop würde wärmer oder kälter.

Wovon ich ausgegangen bin ist, dass die Abwärme konstant und die Temperatur im Kreislauf konstant sind. Das entspricht einer gleichmäßigen Last des Systems (konstante Abwärme) nach ausreichend Zeit, dass sich das System auf eine fixe Wassertemp einpendeln kann. In diesem Fall _muss_ der Unterschied am Radiator genau der Summe der Unterschiede über die Blöcke entsprechen. Und deren Ernergieabgabe verändert sich ja wirklich nicht abhängig von der Radiator-Größe.

Ein größerer Radiator erreicht wie bereits geschrieben die nötige Kühlleistung für Gleichgewicht bei niedrigerer Wassertemperatur oder bei niedrigerer Lüfterdrehzahl. Aber das ist ein ganz anderes Thema um das es mir hier nicht ging.

Natürlich kann man auch anders messen, und die Drehzahl fixieren. Dann wird ein größerer Radiator immer mehr Delta schaffen. Aber dann ist man nicht mehr im Gleichgewicht, auf dem die ganze Betrachtung hier aufbaut, oder hat eine elektrische Last die sich so weit erhöht bis die Temperatur im Loop wieder konstant bleibt. Aber dann ist die Last nicht konstant. Und beides sind Fälle die beim PC eher irrelevant sind. Interessant ist, was bei längerem Spielen oder Rechnen passiert - und das ist konstante Last und konstante Temperatur.

Edit: für diese Betrachtung zählt allein die Energie zu- und Abfuhr. Und sobald sich die Temperatur im Kreislauf nicht mehr zeitlich verändert, muss gleich viel Energie zugeführt werden wie abgeführt wird. Das ist alles was uns in der Betrachtung interessiert. Die Geometrie des Blocks ist hierbei ebenso irrelevant wie die Größe des Radiators. Alles was zählt ist, dass 300W bei der GPU ins Wasser gehen, und dass irgendwo sonst genau die selbe Leistung auch wieder aus dem Wasser entnommen wird. Bei einem schwachen Radiator geschieht das bei hoher Wassertemperatur (höheres Delta zwischen Wasser und Luft -> mehr Kühlleistung), bei einem stärkeren Radiator bei weniger Wassertemperatur. Aber für die Betrachtung ist es egal, ob das Wasser 20 oder 80 °C hat. Alles das zählt ist das Delta an den Blöcken, und das ist davon unbeeindruckt (naja. Fasst. C_w ist leicht temperaturabhängig, aber das vernachlässigen wir Mal). Die absolute Temperatur des Wassers hängt auch im Gleichgewichtsfall vom Typ des Radiators (unf Lüfterdrehzahl, und Umgebungstemperatur...) ab, aber nicht die Deltas über die Komponenten und den Radiator. Die werden davon nicht beeinflusst.

 

[hithunter]

Ja in der Theorie ist das sicher so. Aber weder die Dichte noch die Wärmekapazität ist konstant und gerade ein PC erzeugt keine konstante Last. Das kann nur ein Heizelement. Ob das Thema irrelevant ist, weiß ich nicht. Ist eben nur ein alter Hut. Und wer mit weniger als 50 L/h fahren will braucht sich über die Reihenfolge keine Gedanken machen. Denn da verschenkt man sowie so viel Potenzial da z.B 30 L/h viel zu wenig sind. Bei >500 W Abwärme sind sogar 50 L/h viel zu wenig. Da sind schlechtere Temperaturen vorprogrammiert und dann folgt mal wieder Thread X "Warum sind meine Wassertemperaturen so hoch". Dabei ist es ebenfalls ein alter Hut das sowohl die Kühlköper und insbesondere die Radiatoren mit dem Durchfluss skalieren.

 

[ebastler]

Sowohl Dichte als auch Wärmekapazität des Wassers verändern sich in den relevanten Bereichen für Wasserkühlung nur minimal, die kann man als annähernd konstant annehmen... Hab unten Zwei Bilder angehängt die ich auf die Schnelle von Google hab - war zu faul ne richtige Quelle rauszusuchen und vertrau denen Mal ^^

Die Last ist bei selber Workload ziemlich konstant. Wenn man 1h Witcher 3 spielt, werden die Temperaturen in der Zeit kaum 1°C auf und ab pendeln, weil die mittlere Last so gut wie identisch bleibt und nur deutlich schneller schwankt als die Trägheit der Blöcke und des Wassers das übernehmen würde.

Ob und die Blöcke, Radiatoren und co. auf Durchfluss skalieren ist deutlich komplexer, und irrelevant für die Betrachtung des Temperaturunterschieds zwischen Eingang und Ausgang. Das kann man eigentlich nur mehr mit Simulationen oder eben Messungen mit bekannter Last (gesteuertes Heizelement) bestimmen. Wäre auch spannend, aber dazu fehlt es mir leider an Equipment

Wie viel Durchfluss genug ist ist ne andere Frage... Ich hab meist um die 75 l/h, da die D5 sonst hörbar wird. Damit fahre ich mit 5960X und 980Ti, jeweils mit OC, super.

 

[hithunter]

Da brauchst Du keine Test machen, bei Computerbase oder anderen Foren vorbei schauen. Da gibt es schon genug Test wie Kühlkörper und Radiatoren mit den Durchfluss skalieren. Außerdem kann man das auch einfach selbst testen. Durchfluss auf 30 L/h einstellen und staunen wie schlecht die Komponententemperatur bei Vollast im Vergleich zu 75 L/h ist.

 

[MS1988]

Er kann doch testen und das hier veröffentlichen!

Verstehe garnicht wo das Problem ist.

Gehe in dein CB oder sonst was für ein Forum ....

 

[ebastler]

Ich verstehe vor allem nicht wo das Problem liegt, da ich was komplett anderes getestet habe als alle anderen Tests und/oder Zeitungen, wo ich vor mir keinen einzigen sinnvollen Beitrag gefunden hab. Und dazu noch die Theorie.

Ist halt ein mäßig wichtiges Nischenthema, das mich (und anscheinend auch andere, wenn ich die Redaktionen hier anschau) interessiert hat. Warum man dann da plötzlich komplett andere Themen zur Sprache bringen und meine Messungen als irrelevant bezeichnen muss... Naja. Ich war neugierig, hab's berechnet und gemessen und dachte ich teile es mit anderen denen es vielleicht ähnlich geht.

 

[Naennon]

gut gemacht der andere versteht nicht ganz worauf du hinaus wolltest

 

[JanV]

Danke für die Untermauerung meines jetzigen Wissens, vorher war es ein nicht-fundiertes Gedankenspiel. Ich habe es mir aber genau so gedacht.

Wie wichtig es ist die Grundlagen zu verstehen sieht man ja an dem Kollegen hier, der nichtmal das Ziel deiner Messung versteht.
Interessant wäre noch in wiefern sich die Last jetzt mit dem delta Wasserein- und Ausgang verhält. Man könnte ja vermuten, grob übern Daumen, bei 300W Leistung ~ delta 3°C, dass das liniear bei 100W Leistung ~1°C wäre. Wie dem auch sei, es ist doch relativ vernachlässigbar bei normal dimensionierten Kreisläufen, wie verschlaucht wird. Nur wer wirklich aufs letzte Grad aus ist, kann so noch was holen und die Problemkomponente noch etwas in der Temperatur drücken.

 

[ebastler]

Ich glaube das hast du gut zusammengefasst

Das Delta skaliert linear zur Abwärme und zum Fluss. Halbe Abwärme = halbes Delta, doppelter Fluss = halbes Delta. Kannst dir auch die verlinkte Excel Tabelle laden und ein paar Werte eintippen, falls du magst. Die spuckt dann direkt das errechnete Delta aus.

Lg

 

[hithunter]

Wie wichtig es ist die Grundlagen zu verstehen sieht man ja an dem Kollegen hier, der nichtmal das Ziel deiner Messung versteht.

Ja bla bla. Das Ziel der Messung ist eindeutig beschrieben worden und dahinter steckt nichts anderes als die Grundgleichung des Wärmestrom, Grundwissen Schulphysik 7 oder 8. Klasse:

Berechnungsformeln fr einen Wärmetauschers


Das geht auch wesentlich ausführlicher

http://www.cae-wiki.info/wikiplus/images/1/18/Teil1_2_090219.pdf
http://www.uni-magdeburg.de/isut/TV/Download/Waerme-_und_Stoffuebertragung_Kapitel_1+2_WS0809.pdf

usw.

 

[Dampfkanes]

Dann bitte noch mal nach messen. Wenn der Radiator immer größer und somit länger wird hat das freilich einen Einfluss und das Wasser kühlt immer mehr ab. Ob der Radiator nun 1 mm oder 300 mm lang ist, macht einen bedeutenden Unterschied.

ja, aber damit reduziert sich halt nicht nur die Temperatur nach dem Radiator. Gleichzeitig reduziert sich aber auch die Temperatur vor dem Radiator.
-> Somit bleibt das Delta dann wieder nahezu gleich.

Schon mal damit beschäftigt, was im zeitlichen Verlauf mit den Temperaturen passiert, wenn z.B. die GPU vom Idle in die Last geht und wieder zurück?
Wie Verhalten sich dabei unterschiedliche Radiatoren, die bei unterschiedlichen Wassertemperaturniveaus unterschiedlich gut Wärme an die Luft abgeben?

Oder was passiert, wenn man bei fester Last den Durchfluss variiert?

Wie lange kann es dauern, bis so ein Kreislauf überhaupt in seinen statischen/ausgeglichenen Zustand kommt?

Welches Wasser-Delta würde sich bei Anlegen von Last einstellen, wenn gar kein Radiator im Kreislauf ist?
Wenn es so wäre, das ein größerer Radiator ein größeres Delta hat. Würde dann gar kein Radiator gar kein Delta bedeuten?

Wenn ein größerer Radiator ein größeres Delta hat, wieso hat er dann bei keiner Last nicht weiterhin ein großes delta sondern dann quasi gar keines mehr?

Ist überhaupt die notwendige Mindestanzahl an Sensoren verbaut um sich darüber einen Überblick verschaffen zu können?

@ebastler
Es freut mich, dass Du Dich dem Thema so strukturiert und detailliert angenommen hast.

Die Diskussion über mehrere Posts hinweg zeigt mir aber, dass es erneut so gekommen ist, wie schon so oft, wenn ich das Thema hier im Luxx erläutern/diskutieren wollte:
Es ist vergibliche Liebesmühe.

Keine Ahnung, ob es am fehlenden Hintergrundwissen oder am fehlenden Interesse liegt, sich wirklich mit der Thematik zu befassen (selbst Tests und Messungen durchgeführt zu haben. Das eigene System in unterschiedlichen Zuständen beobachtet zu haben.

@all
Aber vielleicht hängt es auch nur an Begrifflichkeiten und wir schaffen es einfach nicht, uns so auszudrücken, so dass wir merken, dass wir doch vielleicht einer Meinung sind?