Forum: Offtopic Temperatur und Kühlung mit Wind


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von Farin U. (farin_u86)


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Hallo,

Ich habe folgendes Problem.

Ich habe eine Lampe in dem 12 LEDs sitzen.

Wenn ich das ganze bei Raumtemperatur einschalte (12V, 10A) dann wird 
das Gehäuse ca. 65 Grad warm.

Wenn ich die Lampe nun mit Wind kühlen würde z.B. Fahrtwind (10km/h, 
20km/h, usw.) wie kann man rechnerisch die neue Gehäusetemperatur 
berechnen oder schätzen?

Das Gehäuse ist ein Profil, 50cm lang, 10cm hoch, 10cm tief.

Konnte dazu nichts passendes finden.

LG

: Verschoben durch Moderator
von Gerd (Gast)


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Rechne zuerst den Wärmestrom aus der auftritt, der bleibt nämlich 
konstant. Und dann rechnest du mit den Werten für konvektionskühlung die 
neue Oberflächentemperatur aus.

von Lothar M. (zwickel)


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Kannst du kaum berechnen, eher abschätzen.

Warum: Lufttemperatur ist nicht konstant; Luftgeschwindigkeit ist nicht 
konstant.

von npn (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Kannst du kaum berechnen, eher abschätzen.
>
> Warum: Lufttemperatur ist nicht konstant; Luftgeschwindigkeit ist nicht
> konstant.

Du kennst die Anordnung bzw. den Aufbau beim TO?

Nehmen wir mal die Werte vom TO an (10km/h, 20km/h) und dazu die 
Lufttemperatur mit 20°C und 25°C. Jetzt hast du konstante Werte, mit 
denen du rechnen kannst. Wie sieht jetzt deine Berechnung aus, wo du 
nicht mehr abschätzen mußt?

von Lothar M. (zwickel)


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Viel zu viele Unbekannten:

Wirkungsgrad der LED, sprich Wärmemenge, Wärmeübergangswiderstand 
zwischen Substrat und Kühlkörper, selbiges zwischen Kühlkörper und 
Gehäuse, Material der Komponenten in der Kühlkette, sprich 
Wärmeleitfähigkeit, nicht zuletzt die genannten Parameter des 
Kühlmediums Luft.

Einfacher: Temp-Sensor anbringen und messen.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Lothar M. schrieb:
> Warum: Lufttemperatur ist nicht konstant; Luftgeschwindigkeit ist nicht
> konstant.
Und vor Allem: Luftfeuchte ist nicht konstant.
Denn der "Fahrtwind" allein kann kaum Energie aufnehmen. Das tut 
vorrangig das Wasser, das in ihm gebunden ist...

von HildeK (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Denn der "Fahrtwind" allein kann kaum Energie aufnehmen. Das tut
> vorrangig das Wasser, das in ihm gebunden ist...

Wie ist dann die Angabe von Wärmewiderständen an Kühlkörpern zu 
erklären, die Kurven drin haben in Abhängigkeit von der 
Luftströmungsgeschwindigkeit? Ich erinnere mich nicht, dass hier von 
Luftfeuchtigkeit die Rede ist.

Ich wollte gerade dem TO raten, seinen Aufbau mal mit einschlägigen 
Kühlkörperdatenblättern zu vergleichen, die seinem Aufbau ähneln. Aber 
offenbar sind kaum noch welche mit eine Kurve ausgestattet, die die 
Verringerung des Wärmewiderstands des KK in Abhängigkeit der 
Luftgeschwindigkeit angeben. Bei Fischer jedenfalls habe ich für 
einfache Profile nichts gesehen.
Wenn doch eine zu finden ist: 10km/h sind etwa 550lfm bzw. rund 3m/s.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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HildeK schrieb:
> Wie ist dann die Angabe von Wärmewiderständen an Kühlkörpern zu
> erklären, die Kurven drin haben in Abhängigkeit von der
> Luftströmungsgeschwindigkeit? Ich erinnere mich nicht, dass hier von
> Luftfeuchtigkeit die Rede ist.
Die Werte dort sind für trockene Luft (mit einer Wärmekapazität von ca. 
1 kJ/(kg·K)) angegeben. Zusätzlich in der Luft befindliches Wasser (mit 
einer Wärmekapazität ca. 4 kJ/(kg·K)) in Form von Luftfeuchtigkeit 
verbessert das Ganze glücklicherweise. Insofern muss ich das "kaum" ein 
wenig relativieren...  ;-)

von HildeK (Gast)


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Danke für die Info, Lothar!

von Achim S. (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Die Werte dort sind für trockene Luft (mit einer Wärmekapazität von ca.
> 1 kJ/(kg·K)) angegeben. Zusätzlich in der Luft befindliches Wasser (mit
> einer Wärmekapazität ca. 4 kJ/(kg·K)) in Form von Luftfeuchtigkeit
> verbessert das Ganze glücklicherweise. Insofern muss ich das "kaum" ein
> wenig relativieren...  ;-)

Ich würde das noch etwas weiter relativieren. Der zweite Wert von 
4kJ/(kg*K)  gilt für flüssiges Wasser. Für die Luftfeuchtigkeit dürfte 
eher der Wert von Wasserdampf relevant sein - also 2kJ/(kg*K).

Sehr viel wichtiger ist aber, dass beides massebezogene Angaben sind. Es 
zählt also der Masseanteil der jeweiligen Gase an der Luft. Und der ist 
beim Wasseranteil irgendwo in der Größenordnung 10g/m^3 (in den Tropen 
gerne auch das doppelte). Aber Stickstoff und Sauerstoff machen 
1,3kg/m^3 aus. Damit spielt die Luftfeuchtigkeit bei der Wärmeabfuhr 
über den Kühlkörper praktisch keine Rolle (vielleicht in der zweiten 
Nachkommastelle).

Interessant wird die Luftfeuchte jeweils dann, wenn ein Phasenübergang 
auftritt. Also beispielsweise wenn die Leuchtfeuchte kondensiert (z.B. 
im Brennwertkessel oder bei der kontrollierten Raumlüftung im Winter). 
Wenn der "Fahrtwind" des TO bei einer Fahrt durch Nebel oder Regen 
erreicht wird, hätte das natürlich auch einen deutlichen Einfluss. Aber 
ansonsten kann man für den Kühlkörper problemlos mit dem Zahlenwert von 
trockener Luft rechnen.

von Wolfgang (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Und vor Allem: Luftfeuchte ist nicht konstant.
> Denn der "Fahrtwind" allein kann kaum Energie aufnehmen. Das tut
> vorrangig das Wasser, das in ihm gebunden ist...

Du tust so, als ob man mit trockener Luft nicht kühlen kann - UNFUG

Das macht allenfalls einen Faktor 3

von Der Andere (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Das macht allenfalls einen Faktor 3

Eher 0,03. Siehe den guten Beitrag von Achim S.

von Lothar M. (zwickel)


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Die Luft ist aber nur die halbe Miete, ganz wichtig ist auch die 
Wärmeleitfähigkeit des Weges vom Substrat bis zur Kühloberfläche.

von J. S. (pbr85)


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Fahrtwind bedeutet erzwungene Konvektion --> dünnere Grenzschicht (v ~ 
0m/s) zwischen Kühlkörper und Medium. Das rechnet man mit der 
Wärmeübergangszahl, die du über die Nußeltzahlt nach Formelumstellung 
bekommst.

Dafür brauchst du die Reynoldszahl, Viskosität der Luft und natürlich 
die Strömungsgeschwindigkeit und die charakteristische Länge deines 
Kühlers in Metern, die umströmt wird. Ich nehme mal an, du willst das 
Gehäuse in Querreichtung (wegen den 12 LEDs) anströmen, dann wären es in 
diesem Fall 10cm also 0,1m (SI-Einheit). Das ganze könntest du dann mit 
der Grashofzahl für natürliche Konvektion vergleichen, um realistischere 
Werte zu bekommen.

https://www.schweizer-fn.de/waerme/waermeuebergang/waerme_uebergang.php

Alles in allem wird es aber wie schon gesagt wurde ziemlich kompliziert 
und es wäre für dich leichter es einfach durchzumessen mit einem 
Temperatursensor und einem einstellbaren Ventilator. Dann weißt du auch 
sicher, dass du keinen Fehler gemacht hast wie eine falsche Einheit, die 
gerne schon mal den Faktor 10 ausmachen kann und dir völlig falsche 
Werte suggerieren würde.

: Bearbeitet durch User
von tmomas (Gast)


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Farin U. schrieb:
> Wenn ich die Lampe nun mit Wind kühlen würde z.B. Fahrtwind (10km/h,
> 20km/h,

Und dieser Fahrtwind ist auch da wenn du an der Ampel stehst oder aus 
anderen Gründen zum Anhalten gezwungen wirst, während die LED Leuchte 
leuchtet?

von J. S. (pbr85)


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tmomas schrieb:
> Farin U. schrieb:
>> Wenn ich die Lampe nun mit Wind kühlen würde z.B. Fahrtwind (10km/h,
>> 20km/h,
>
> Und dieser Fahrtwind ist auch da wenn du an der Ampel stehst oder aus
> anderen Gründen zum Anhalten gezwungen wirst, während die LED Leuchte
> leuchtet?

Man könnte ja einen Temperaturschalter einbauen, der die Stromversorgung 
der LEDs bei sagen wir mal 60°C abschaltet oder zumindest den Großteil 
des Stromes, sodass diese dann bei Überhitzung nur noch mit einem 
Bruchteil weiter leuchten.

Habe ich so bei allen meinen hochwertigeren Leuchten, wobei ich da 
jedoch 55°C oder besser sogar 50°C wähle.

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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Um die spezifizierten Kuehlkoerperwerte ueberhaupt nutzen zu koennen 
sollte man deren Herkunft kennen. Also. Ein Kuehkoerper wird gemessen 
bei senkrechtem Einbau, die Rippen auch senkrecht. Unten und oben ein 
Fuss frei fuer die Konvektion. Dadurch ergibt sich je nach 
Temperaturdifferenz zur Umgebung, nichtlinear eine Stroemung 
(-sgeschwindigkeit). Bei Zwangsbelueftung aendert sich die Grenzschicht, 
auch nichtlinear. Bedeutet in den allermeisten Faellen muss man 
nachmessen. Nochmals komplizierter weird es wenn man Kuehlkoerper im 
Gehaeuse einbaut. Allenfalls kriegt man die Waerme in die Luft, damit 
ist sie aber noch nicht weg.

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