Springen naar inhoud

Koeling van een stroomcircuit. Nogal ingewikkeld


  • Log in om te kunnen reageren

#1

stephanis

    stephanis


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 11 december 2012 - 23:59

Hallo,

Ik wil graag jullie hulp vragen voor een natuurkundig vraagstuk dat mijn petje te boven gaat, hopelijk heeft iemand van jullie de hersens wel in de juiste plooi :-)

Ik weet dat mijn vraag door nogal wat externe factoren beinvloed word en dus geef ik graag een aantal gegeven waardes mee, voor factoren waarmee ik geen rekening houdt gelieve hiervan zelf abstractie te maken of een constante te nemen en ook zo te vermelden.

Tot zover de intro, hier komt het eigenlijke probleem:

Koeling van een watercircuit met peltier elementen.

Het probleem stelt zich in de berekening van de warmteoverdracht en hoe de berekening werkt als men rekening houdt met de stroming van de koelvloeistof. De uiteindelijke vragen staan helemaal onderaan na de gegevens.

De opstelling is als volgt samen te vatten: een peltierelement wordt ingeklemd tussen 2 waterblokken. De warme kant wordt watergekoeld via water en radiators en de andere ( koude) kant wordt gebruikt ter koeling van het koelcircuit. De vragen gaan over dit koelcircuit. De koelvloeistof loopt door het waterblok en wordt zo gekoeld.

Enkele gegevens:
Kamertemp 25 graden
Stroomsnelheid koelvloeistof instelbaar als 300, 600 of 900 liter per uur
Inhoud waterblok zelf: 5 of 10 ml koelvloeistof
Koelvloeistof: gedestilleerd water ( indien nodig aangevuld met glycolen of zoiets om vervriezing tegen te gaan indien nodig, voor berekening echter zuiver water veronderstellen )
Warme kant peltier temp: veronderstel 30 graden bij belasting
Delta T peltier element 58 graden of 68 graden
Peltier werkt op 12V en niet op 15V
Max I peltier is 6A of 9A
Koelvloeistof temp bij start is 25 graden
Totale waterinhoud circuit 300 of 500 ml ( 0.3 of 0.5 liter)
Maximaal 4 peltiers kunnen in serie of parrallel geschakeld worden van 9 A dus de koeling hoeft niet door 1 element geleverd worden
Max verbruik van de peltier voeding is 600 Watt
Abstractie van warmteverlies in waterblok, materiaal is koper. Ga uit van perfecte warmteoverdracht.
Koeling moet zo snel mogelijk gebeuren!
Af en toe vermeld ik OF, dit betekent dat ik beide ter beschikking heb en dus kan gekozen worden.

VRAGEN?

Hoeveel vermogen peltier elementen zijn er nodig om deze vloeistof naar 0 graden te koelen.
Kan de koeling naar 0 graden in 1 omloop
Als 0 graden niet mogelijk is hoeveel graden kan maximaal gekoeld worden in 1 omloop
Wat als abstractie wordt gemaakt van de beperking van de voeding van 600 watt
Hoeveel tijd is er nodig per graad celsius om de vloeistof te koelen.


Ik ga ervan uit dat er altijd betere mogelijkheden bestaan om deze koeling te doen maar dat is niet mijn vraag, deze opstelling moet gemaakt worden en de berekeningen hierop.

Alvast bedankt voor alle hulp en ik hoop dat er iemand over een grote knobbel beschikt voor wie dit probleem een ochtendwandelingtje door het park is.

Groetjes

Stephane

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

dannypje

    dannypje


  • >250 berichten
  • 595 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 12 december 2012 - 11:50

Heb dit maar heel in de vlucht gelezen, maar ik zie dat het vermogen van de voeding van de peltiers 600W is. Als je een ruwe benadering wil hebben, zou je kunnen zeggen dat je dus 600W = 600 J/s aan warmte kan afvoeren.

Die 600J/s kan je dan gebruiken om met de max. stroomsnelheid van het water, 900l/u = 0,25l/s = 0,25kg/s te berekenen hoeveel graden je dat water kan afkoelen via de formule Q=c*m*delta t, waarbij c voor water iets van 4,86 kJ/kgK is geloof ik, m de massa van het water, en delta t het temperatuur verschil in Kelvin.

Dus 600 = 4,86*10^3 * 0.25 * delta t

Maar ik kan mij vergissen of dingen over het hoofd zien hoor :D

Om de andere vragen over tijd te berekenen, kan je eig al zeggen dat de formule hierboven bekeken is per seconde (600J/s en 0,25 kg/s). Dus met wat aanpassingen kan je daar ook tijden uit gaan berekenen zou ik denken.

Verder kan je uit stroom en spanning van de peltiers afleiden dat 1 peltier ongeveer 108 W (12V*9A) zal verbruiken. Aangezien je geen gegevens krijgt over efficientie zou je (verkeerdelijk natuurlijk) kunnen veronderstellen dat al dat vermogen ter beschikking is voor koeling.

En als je abstractie van het voedingsvermogen moet maken, zal je effectief moeten berekenen hoeveel J/s zo'n peltier kan afvoeren door gebruik te maken van de andere gegevens die je erover hebt, zonder rekening te houden dat die zouden beperkt zijn door het voedingsvermogen.

PS: die formule werkt wel alleen maar tot 0 graden celcius, 273K, want daarna bevriest je water en zit je met latente warmte, waarbij de temperatuur constant blijft, tenminste zolang je een mix hebt van ijs en water. Eens alle water bevroren begint de temp weer verder te zakken natuurlijk.

Veranderd door dannypje, 12 december 2012 - 11:56

In the beginning, there was nothing. Then he said:"Light". There was still nothing but you could see it a whole lot better now.

#3

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 12 december 2012 - 19:24

Een Peltier van 12 V en 9 A verbruikt weliswaar 108 Watt elektriciteit maar koelt bij een temperatuursverschil van 30 graden slechts ruwweg 40 Watt. Vier Peltiers koelen dus waarschijnlijk niet meer dan 160 W.

Dat betekent dat een waterstroompje van 300 Liter/uur slechts 0,5 graden afgekoeld kan worden.
Hydrogen economy is a Hype.

#4

stephanis

    stephanis


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 12 december 2012 - 22:26

Alvast bedankt voor deze reacties, mijn interesse voor de fysica ervan neemt elk uur toe. Dit is ingewikkeld voor mij en dus scherpt het mijn geest nogal. Ik heb zelf op basis van deze formule gerekend wat mij 0.3 graad opleverde

Als ik het goed begrijp dan koelt dit ongeveer 0.5 graden PER OMLOOP, aan 300 l/u wat betekent dat met een inhoud van 0,25 liter er 20 omlopen zijn per minuut dat telkens een halve graad kouder wordt dus 10 graden koeling per minuut.
klopt dit wat ik zeg?

Dit moet dienen voor een cpu koeling. Ik heb gevonden dat mijn cpu 300 watt zal afgeven maximaal. Dit betekent dus 300 J/s. Juist? Nu vraag ik me hier wel af hoe dit nu werkt. Ik veronderstel dat om geen opwarming te krijgen er 300 J/s moet afgevoerd worden. Maar als je dit kan hoe warmt een cpu dan op?

Ik rekende uit dat bij 300 l/u waterkoeling dit water slechts 0.24 graden zal opwarmen, maar is dit dan per seconde of per omloop van het water? Als dit per omloop is dan zou dit 5 graden per minuut zijn maar 0,24 graden per omloop door een radiator sturen zorgt zeker voor afkoeling. Dus hoe komt het dat een cpu dan toch opwarmt? Een cpu die 300 watt afgeeft is dusdanig overklokt dat deze kapot brandt, dus ik ben de draad kwijt.

Is het zo dat behalve de warmteafgifte een cpu toch nog opwarmt intern ofzo? Als dit zo is moet men voor koeling dan meer J/s afvoeren? Ik probeer hier een beeld op te krijgen om een totale berekening te kunnen maken.

Is er iemand die mij hier zou kunnen bijstaan om een volledige opstelling uit te denken?

#5

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 13 december 2012 - 16:41

Als de CPU 300 Watt afgeeft aan de circulerende koelvloeistof, en die koelvloeistof wordt gepompt dus die pomp voegt ook nog eens extra .... Watt toe, dan moeten de Peltiers die 300 Watt (plus het Wattage van de pomp) afvoeren om de temperatuur van de CPU op een constante waarde te houden. Zo simpel is het.
Hydrogen economy is a Hype.

#6

stephanis

    stephanis


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 14 december 2012 - 17:11

Dat lijkt me idd waar ik naartoe ga werken. Kan je toevallig niet even kijken naar de vragen in mijn vorige reactie, zodat ik zeker weet dat mijn gedachtengangen juist zijn?

#7

Michel Uphoff

    Michel Uphoff


  • >5k berichten
  • 5384 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 15 december 2012 - 00:03

Je maakt het te ingewikkeld naar mijn mening.

Een normale cpu geeft (veel) minder dan 300 Watt af, tenzij je een exotische Itanium of Spark processor gebruikt, maar dat lijkt mij sterk. Zie deze TDP tabellen. Thermal design Power geeft aan hoeveel Watt de koeling de Cpu moet kunnen afvoeren.

Uitgaande van de meeste energie verstokende processors van deze tijd - 150 Watt - heb je dus drie of vier peltiers nodig vermits deze ongeveer 40-50 Watt per stuk af kunnen voeren.

Bij een temperatuurverschil van 30 graden en water als koelvloeistof, kan je grofweg uitrekenen hoeveel water er moet stromen om deze energie af te voeren.
4,2J (W.s) per gram water per graad, dus ongeveer 120J voor 30 graden, dus - laten we het fors naar boven afronden - 2 cm3 water per seconde dus 7,2 liter per uur. Met die 300 liter per uur (ruim 80 cc per seconde) van jou kom je dus heel veel lager uit dan een temperatuurverschil van 30 graden.

Natuurlijk moet het water wel netjes teruggekoeld kunnen worden. Daarvoor is meer nodig want vier peltiers geven ruim 400 Watt aan warmte af. Een goede scheiding tussen koude en warme zijde van de peltiers is ook van belang.

Al met al is het behoorlijk inefficiënt. Je kan m.i. het water beter door een luchtgekoelde radiator van voldoende capaciteit pompen, dat is een stuk minder lastig, goedkoper en veel energievriendelijker.

Je hebt overigens kort geleden ook al uitgebreid antwoord gehad in deze thread.

Veranderd door Michel Uphoff, 15 december 2012 - 00:05

Motus inter corpora relativus tantum est.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures