Pro und Contra Lüfterkühlung oder Luft/Wasser-Wärmetauscher

Es hängt stark von der Anwendung ab, wann man Lüfterkühlung oder Luft/Wasser-Wärmetauscher einsetzt. Der Autor des Beitrags diskutiert die Vor- und Nachteile der beiden Kühlmethoden.

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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.

Wärmeübertragung erfolgt im Allgemeinen 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) [1]. Im folgenden sollen nur die beiden ersten Arten der Wärmeübertragung betrachtet werden, der Einfluss der Wärmestrahlung soll hier nicht betrachtet werden.

Kühlsysteme haben die Aufgabe, die Temperatur eines Objekts auf eine gewünschte Temperatur zu reduzieren bzw. 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 bzw. der Fähigkeit erwärmte Materie zu transportieren.

Betrachtet man die Kette zwischen Wärmequelle und -senke, wird die Wärme zunächst von verschiedenen Materialien aufgenommen und weitergeleitet. Häufig wird sie dann an ein Trägermedium übertragen und abtransportiert. Wasser- oder Flüssigkeitskühlung bezeichnet Systeme, bei denen das wärmeabführende Kühlmittel eine Flüssigkeit, z.B. Wasser ist. Im Fall 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 sollen hier nicht betrachtet werden. Detailliertere Beschreibungen und Methoden der Berechnung und Auslegung finden sich in weiterführender Literatur [3], [4].

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 (Grenzschicht) wird auch die Luft merklich erwärmt [2].

Vorteile der Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu Luft

Hier bietet Wasser eine wesentliche Verbesserung. Da dessen Wärmeleitfähigkeit etwa 30 mal größer als die von Luft ist, 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 (es sei denn, es handelt sich um einen offenen Kreislauf) in der Regel einen höheren Installationsaufwand für das geschlossene System aus Pumpe, Rohren und Kühler.

Um einen guten Wärmetransport zu erreichen, muss der Wärmeübergang zwischen den einzelnen Materialien, speziell zwischen Wand und Fluid möglichst groß sein. Das erreicht man, indem man die Wärmeleitfähigkeit des Fluids erhöht (Wasser vs. Luft) oder die Strömungsgrenzschicht dünn und/oder turbulent hält. Im Vergleich zu laminaren Strömungsgrenzschichten haben turbulente Grenzschichten bessere Wärmeübergangskoeffizienten α, so dass sich die umgebende Luft schnell erwärmen kann.

In der weiteren Umgebung kann sich die erwärmte Luft anschließend mit kälterer Umgebungsluft durchmischen. Im Vergleich zum Wärmeübergang zwischen Wasser und Festkörper ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und einem Festkörper etwa 50 bis 100 mal kleiner. Die Luftkühlung erfordert daher eine größere Kontaktfläche zwischen beiden Medien (die durch Kühlrippen erhöht werden kann) und höhere Strömungsgeschwindigkeiten (die durch ein Kühlgebläse sichergestellt werden können) als die Wasserkühlung.

Das Kühlmedium kann solange Wärme aufnehmen, bis die Temperatur des Mediums gleich der 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 4182 J/kg/K und ist damit mehr als viermal so groß wie die von Luft (1005 J/kg/K, bei isobarer Zustandsänderung).

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