Pumpe Wasserkühlung: Druck, Durchsatz, die Kennlinie und deren Zusammenwirken

  • Man diskutiert ja immer viel über Pumpen (und auch Lüfter), welche denn nun die bessere ist, wie man mehrere verbauen soll und und und. Daher werde ich das jetzt mal technisch aufschlüsseln und anhand von ein paar Beispielen aufzeigen.


    1. Die Grundlagen

    Wenn man sich Pumpen für die Wasserkühlung so ansieht, wird man immer mit mehreren technischen Angaben bombardiert. Wichtig sind hier erstmal nur die beiden Angaben Druck und Durchfluss. Diese beiden Angaben sind die Grundpfeiler der Pumpenleistung, anhand derer man festmachen kann, was die Pumpe grundsätzlich so taugt.

    Fangen wir mit dem Durchfluss an.

    Hier sehen wir bei den leistungsstärkeren Pumpen oft sehr hohe Werte, beispielsweise 1500l/h bei der D5 oder auch 600l/h bei der DDC 1T+ bzw. 3.2. Das sind natürlich sehr gute Werte, da greift man doch sofort zur irrsinnig starken D5 und freut sich auf seine 1500l/h. Die Ernüchterung kommt dann, wenn man zum ersten mal auf den angezeigten Wert beim Durchflusssensor schaut (so man denn einen verbaut hat). 200l, 150l, gar nur 60l werden angezeigt. Ein Messfehler? Keineswegs! Die Durchflussangabe des Herstellers ist ein absoluter Maximalwert. Dort wird nur angegeben, was die Pumpe bei überhaupt keinem Gegendruck schaffen kann. Für die Wasserkühlung denkbar unnütz. Wer jemals seine Hand in einen Wasserstrahl (sei es der Gartenschlauch oder die Duschbrause) gehalten hat, der weiß, dass es die Hand ganz schön zurückdrückt und dass das ganze Wasser dann seitlich verteilt wird. Die Spritzer kommen aber bei weitem nicht so weit, wie der ungestörte Wasserstrahl käme, weil ein Widerstand im Weg ist, den der Wasserstrom entweder überwinden -was er sowohl bei der reingehaltenen Hand als auch in der Wasserkühlung besser nicht macht- oder durch den er umgeleitet wird. In der Praxis trifft letzteres zu. Die Hand oder der Kühler, Radiator, Winkelanschluss, Filter, Schnelltrenner,.... stellen einen Widerstand da, sprich genau das, was mit der Angabe des maximalen Durchflusses nicht eintritt.

    Kommen wir nun zum Druck.

    Auch hier gibt es viele Werte, oftmals mit mehreren Metern Förderhöhe oder einer Zahl in Bar angegeben. Der Hintergrund dabei ist, dass die Erdanziehungskraft auf die Atmosphäre einen gewissen Druck auf alles am Erdboden erzeugt. Bei normaler Höhe, sprich der Meeresoberfläche und mit geringer Abweichung auch auf wenigen 100m Höhe sind das 10m Wassersäule oder 1 Bar. Man kommt von der Wassersäule also einfach auf Bar, indem man den angegebenen Wert durch 10 teilt. Soviel zur einfacheren Vergleichbarkeit der Werte. Jetzt haben wir die angegebene Förderhöhe von beispielsweise 3,7m. Das ist mal wieder nur ein Maximalwert, sprich ein Druck bei genau gar keinem Durchfluss. Hier ist es genau wie beim maximalen Durchfluss - hat man etwas von dem anderen Wert, gilt er schon nicht mehr. Sprich, wenn auch nur etwas Durchfluss vorhanden ist, war es das mit den 3,7m Förderhöhe, man hat weniger.

    Wie wirken nun diese beiden Eigenschaften aufeinander ein?

    Nun, die Antwort ist recht simpel: Es ist wie beim elektrischen Strom. Der Druck ist direkt mit der Spannung vergleichbar, der Durchfluss mit dem Strom und die hineingehaltene Hand oder aber der Kreislauf ist der Widerstand. Kurz gesagt, mehr Druck heißt mehr Durchfluss bei gleichem Widerstand. Aber um nun zu unserer Grundfrage zurückzukommen, welche Pumpe denn nun die bessere ist, müssen wir uns anschauen, wie sich Druck und Durchfluss denn abseits der Endpunkte verhalten, und genau da kommt die Kennlinie ins Spiel.


    2. Die Kennlinie

    In der Regel werden heutzutage Kreiselpumpen verwendet. Diese basieren alle auf einem rotierenden Impeller, der das Wasser in Bewegung versetzt und nach außen drückt, teils durch die Zentrifugalkraft, teils durch die Geometrie des Impellers. Sie alle haben einen maximalen Druck- und einen maximalen Durchflusswert, dazwischen liegt die Kennlinie, welche niemals diese Maximalwerte überschreiten kann.


    Die Kennlinie gibt an, bei welchem Durchfluss eine Pumpe welchen Druck halten kann; die Form kann dabei eine gerade Linie oder aber eine Kurve sein, abhängig ist dies von der Pumpengeometrie. Sehen wir uns dazu mal so eine Kennlinie an.

    (Quelle)


    Dies ist die Kennlinie einer normalen DDC 3.1 bzw. 1T. Dazu haben wir noch die Leistungsaufnahme, weil man solche Grafiken eben immer mit Leistungsaufnahme erhält. Für uns soll die jetzt nicht weiter stören, wir konzentrieren uns auf die durchgezogene Linie.


    Hie sehen wir das direkte Verhältnis von Druck zu Durchfluss, beispielsweise erreichen wir bei 2m Förderhöhe oder aber 0,2 Bar Druck ziemlich genau 300l/h. Hört sich nach viel an, nicht wahr? Wird man mit einer DDC allerdings quasi nie erreichen. Denn da kommt der Gegendruck des Kreislaufs ins Spiel.


    Wenn Wasser durch den Kreislauf strömt, trifft es auf zahlreiche Hindernisse, prominentestes Beispiel ist die Feinstruktur eines Kühlers. Das Wasser wird verwirbelt, umgelenkt und durch die engen Kanäle gepresst. Die dabei auftretende Turbulenz erzeugt einen Widerstand, welcher zwar grundsätzlich vom Durchfluss abhängt (ohne Durchfluss keine Turbulenz, ohne Turbulenz kein Widerstand), diesen aber natürlich einschränkt. Man kann das gut mit Elektrizität vergleichen. Schließt man einen ohmschen Widerstand an einem Pol der Spannungsquelle an, misst man am anderen Ende die selbe Spannung. Schließt man aber den Kreislauf, sprich man erzeugt einen Strom, verliert man über den Widerstand die ganze Spannung. Das selbe passiert in der Wasserkühlung. Lässt man das Wasser fließen, frisst der beispielhafte Kühler den Druck auf. Nun hat man aber nicht nur einen Kühler im Kreislauf, sondern mindestens noch einen Radiator, oft noch mehrere weitere Komponenten, die alle einen Widerstand erzeugen, der mit steigendem Durchfluss zunimmt. Somit hat man einen gewissen Gegendruck, welcher mit steigendem Durchfluss zunimmt. Sprich, wenn man einen Gegendruck von 0,3 Bar hat, muss die Pumpe 0,3 Bar erreichen, um dem Druck standzuhalten. Man kann nun auf der Kennlinie den Durchflusswert ablesen. Im Fall der DDC ungefähr 175 l/h. Umgekehrt kann man anhand des Durchfluss ablesen, welchen Druck die Pumpe gerade aufbringt und davon ausgehend mit welchem Gegendruck sie arbeitet. Nehmen wir nun mal die oft empfohlenen 60 l/h. Schauen wir auf die Kennlinie, sehen wir ungefähr 0,34 Bar. Kurz gesagt, die Pumpe erreicht nahezu ihren vollen Druck! Und das bei üblichem Durchfluss.


    Zum Vergleich nun mehrere Kennlinien:

    (Quelle)


    Eine weitere DDC-Kennliniengrafik, allerdings mit dem Zusatz der DDC 3.2 bzw. 1T+.

    (Quelle)


    Und eine D5-Kennliniengrafik, wenn auch ohne Achsenbeschriftung. Zur Erinnerung: Maximaler Durchfluss (x-Achse) 1500l/h, maximaler Druck (y-Achse) 3,7m bzw. 0,37 Bar. Hier sehen wir deutlich, dass die die Kennlinien erheblich unterscheiden können, ganz abhängig von der Geometrie der Impeller.

    Nun zur Erklärung der unterschiedlichen Linien im selben Diagramm:

    Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten der DDC werden ausschließlich über die Drehzahl erzeugt. Die 1T+ (4200 Umdrehungen) dreht schlicht schneller als die 1T (3600 Umdrehungen). Ebenso die Angabe der D5. Abgebildet werden alle 5 Stufen der normalen D5-Vario: 1800 Umdrehungen, 2400 Umdrehungen, 3200 Umdrehungen, 4000 Umdrehungen und 4800 Umdrehungen.

    Eine höhere Drehzahl ist schlicht und einfach der simpelste Weg, die Pumpenleistung und damit den Druck und Durchfluss zu steigern.


    Aber wie vergleicht man nun richtig? Nun, man schaut sich den Bereich an, in dem der Durchfluss erwartungsweise liegt bzw. den man anstrebt. Für die DDC haben wir das ja schon durch, bei 60l/h 0,34 Bar Pumpen- und Gegendruck. Im Fall der D5 sieht die Sache sehr ähnlich aus, die Grafik verzerrt hier deutlich, weil die Skala der x-Achse sich deutlich unterscheidet. Auf die Grafik der DDC skaliert ergibt sich eine weit flachere Linie für die D5, wobei diese den Druck der DDC hält, bis die DDC mit steigendem Durchfluss wegbricht. Zum Vergleich kann man sich die beschriftete Kennlinie hier ansehen.


    Man merkt dabei aber, dass das Wegbrechen der Kennlinie bei utopischen Durchflusswerten geschieht. Bei einem üblichen Kreislauf erreichen sowohl DDC als auch D5 bestenfalls 200 l/h, oft deutlich weniger. Der Gegendruck bei höherem Durchfluss ist gerade bei größeren Kreisläufen gewaltig.


    Hier eine bearbeitete Grafik zur Veranschaulichung ohne Anspruch auf technische Richtigkeit, in Wahrheit weicht der Gegendruck etwas ab und ist keine starre Linie.


    Man hat also immer 0,3x Bar Druck. Will man nun mehr Durchfluss, muss man entweder mehr Pumpen verbauen oder aber eine mit stärkerem Druck wählen, sprich eine schneller drehende DDC (welche dann natürlich auch mit entsprechender Drehzahl betrieben werden muss). Hat man nun zur 1T+ gegriffen, hat man da, wo man zuvor 0,34 Bar Pumpendruck hatte (60 l/h) nun ~0,455 Bar Pumpendruck. Der Kreislauf erzeugt bei dem Durchfluss aber nur 0,34 Bar Gegendruck. Was passiert? Der Durchfluss steigt, damit steigt der Gegendruck. gleichzeitig sinkt der Pumpendruck etwas mit steigendem Durchfluss, sodass man sich bei sagen wir 0,45 Bar Pumpen- und Gegendruck sowie 75 l/h treffen. Für noch mehr Durchfluss kann man dann zu einer noch stärkeren DDC greifen, die es in Form der DDC 3.25 gibt, aber auch da ist irgendwann Ende. Eine DDC kann auch nicht unendlich schnell drehen und das wird irgendwann auch einfach zu laut. Bei der Wasserkühlung ist Lautstärke aber genau das, was niemand haben will, mehr Drehzahl ist also keine Lösung. Da helfen nur noch mehrere Pumpen...


    3. Mehr Pumpen oder auch die Addition der Kennlinien

    Kennlinien verrechnen ist grundsätzlich einfach. Man addiert sie. Ende des Absatzes...

    Natürlich nicht. Wie man addiert, unterscheidet sich anhand der Einbauweise. Es gibt da zwei Möglichkeiten, parallel und seriell bzw. in Reihe. Genau wie beim Strom addieren sich die Parameter abhängig der Einbauweise. Verbaut man die Pumpen oder Stromquellen parallel, addieren sich die maximalen Strom-/Durchflusswerte, verbaut man sie seriell, addieren sich die maximalen Spannungs-/Druckwerte. Ebenso verhält es sich für die ganzen Kennlinien.


    Ich bin aufgrund der einfacheren linearen Kennlinie dabei zur D5 gewechselt, für andere Pumpen verhält es sich natürlich ebenso. Man vergebe mir meine Bildbearbeitungsskills in Paint.


    Das wären 2 D5 parallel im Kreislauf. Zusammen erreichen sie theoretische 3000 l/h, aber beim maximalen Druck tut sich nichts. Die wesentlich steilere Gegendrucklinie ergibt sich dabei aus der Skalierung der x-Achse und sollte auf die Kennlinie einer DDC umgerechnet in etwa gleich steil sein wie in den vorherigen Grafiken. Wie man sieht, sieht man nichts.


    Nun ja, nicht ganz. Einen geringen Mehrwert bietet die 2te, parallel eingebundene D5 schon. Vielleicht 0,005 Bar, also eine halbe zweite Nachkommastelle, oder aber, um es weniger pessimistisch aussehen zu lassen, 0,05m Förderhöhe. Ist auch nicht besser.


    Verbaut man die Pumpen aber seriell und addiert den Druck...


    Da tut sich was. Man erreicht den doppelten Druck und kommt so auf der Durchflussachse wesentlich weiter. Auf das vorige Beispiel mit 0,34 Bar bei 60 l/h umgemünzt haben wir hier 0,68 Bar und (mit einer geraden Gegendrucklinie) 120 l/h.


    Jetzt aber die Ernüchterung: Man wird in der Praxis keine Verdoppelung des Durchflusses erreichen, tut mir leid. Zum einen frisst ein Dualtop immer etwas Druck der ersten Pumpe bereits auf, zum anderen ist der Gegendruck keine gerade Linie. Das habe ich hier nur der Einfachheit halber so eingetragen. Es ist eine exponentielle Kurve (auch nicht ganz richtig, es ist die Summenfunktion der exponentiellen Widerstandskurven aller verbauten Komponenten), man braucht also für den doppelten Durchfluss mehr als das Doppelte an Pumpenleistung, eher Richtung dreifache Pumpenleistung.


    Man kann parallel und seriell natürlich kombinieren, entscheidend ist dabei, dass immer Pumpenkonstellationen mit gleichem Druck parallel verbaut sind, sonst verliert man die überschüssige Leistung und fällt auf den Wert der schwächeren Kombination. Hat man also 2 serielle D5 und 2 serielle DDC 3.2 parallel verbaut, sprich 4 Pumpen, erreicht man maximal 0,74 Bar (maximaler Druck zweier D5) und maximal 1200 l/h (maximaler Durchfluss zweier DDCs). Aufgrund der Kennlinien macht es aber nahezu nie Sinn, Pumpen parallel zu verbauen, mit einer rein seriellen Kombination erreicht man auch bei 6 und mehr Pumpen immer noch die besten Werte.


    Man ist jedoch nicht an baugleiche Pumpen gebunden, auch wenn der Text das bisher vielleicht impliziert hat und ich bisher auch nur Kennlinien baugleicher Pumpen addiert habe. Das geschah der Einfachheit halber, man kann also nahezu bedenkenlos unterschiedliche Pumpen verbauen, auch wenn die Addition der Kennlinien dann wirklich keine schöne Aufgabe wird. Man sollte dabei lediglich beachten, dass der maximale Durchfluss einer Pumpe nicht niedriger als der tatsächlich anliegende Durchfluss ist. Das kann vorkommen, wenn man vorher eine sehr schwache Pumpe mit vielleicht 200 l/h an Maximaldurchfluss eingesetzt hat und dann zu einem sehr starken Modell gegriffen hat, welches mehr als diese 200 l/h durch den Kreislauf fördert oder aber einen Kühler mit integrierter, schwacher Pumpe in einen bestehenden, gut versorgten Kreislauf integriert. In diesem Fall wird die schwache Pumpe nutzlos, wird gar zum Widerstand. Im schlimmsten Fall wird sie durch den Durchfluss angetrieben und so quasi zum Generator. Die erzeugten Spannungen sind nicht gesund für die Pumpenelektronik und können diese zerstören, darüber hinaus auch durch die Stromversorgung der Pumpe durchschlagen und dort für Probleme sorgen. Hat man einen solchen Fall, sollte man, wenn dies möglich ist, die Pumpe oder auch nur ihr mechanisches Schaufelrad aus dem Kreislauf nehmen und auf jeden Fall sämtliche Anschlüsse abstecken.


    4. Die Wahl der richtigen Pumpe

    Nun kommen wir doch zu dem Teil, auf den alle gewartet haben: Die Kaufempfehlung, wenn man so will. Nach all der trockenen Physik wird es nun nass und geht an die Praxis.

    Ohne jetzt eine Diskussion über den Sinn oder Unsinn von so und so viel Durchfluss anstoßen zu wollen, 60 l/h reichen, mehr bringt aber schon noch thermische Vorteile.


    Hat man nun einen normal großen Kreislauf, kann man sich durchaus mit 60 l/h zufriedengeben und zu einer einigen Pumpe greifen. Der Mehrwert durch mehr Durchfluss wird durch zusätzliche Radiatorfläche, die man sich für das gleiche Geld (Pumpe+Dualtop, ggf. Agb-Anpassung) kaufen kann, ausgeglichen. Ob man da zur D5 oder DDC greift, ist technisch egal und einerseits eine Kosten- andererseits eine akustische Frage (dazu ein anderes mal mehr). Hat man nun einen größeren Kreislauf (oder will ihn haben) und es mangelt (voraussichtlich) an Durchfluss, ist der Griff zu einer schnelleren DDC besser (sofern man bis dato eine DDC verwendet oder die Anschaffung des Kreislaufs plant). In der Regel betreibt der Wasserkühlungsnutzer aus akustischen Gründen seine Pumpe(n) aber nicht auf voller Drehzahl. Das kann man machen, erfordert aber entweder ein schlechtes Gehör, eine Toleranz in der Richtung oder aber (ausführliche) Maßnahmen zur Dämmung und Entkopplung, gerade bei schnellen DDCs. Für diesen Fall sind mehrere Pumpen ideal, da man so weiterhin die niedrige Drehzahl verwenden kann, aber durch den höheren Druck beider Pumpen dennoch die Leistung einer schnell drehenden Pumpe zur Verfügung hat.


    Beachten muss man bei der Jagd nach maximalem Durchfluss allerdings den Druck. Wie man an der Grafik zu 2 seriellen D5 gesehen hat, ist der Druck, den serielle Pumpen aufbauen können, enorm. Verbaut man dann sehr viele Pumpen direkt hintereinander, können diese mehrere Bar an Druck aufbauen. Dann wird es für den Kreislauf gefährlich, denn bei diesem Druck beginnen Hardtubeanschlüsse, die mit einfachen Dichtringen arbeiten, zu versagen. Andere Hardtubeanschlüsse und Schlauchanschlüsse mögen mehr vertragen, aber auch da sind Grenzen gesetzt. Zu Sicherheit sollte man bei hoher Pumpenzahl diese über den Kreislauf verteilen, sodass möglichst Komponenten zwischen den Pumpen sind und der Pumpendruck durch diese deutlich reduziert wird. Im Idealfall ist der Druck der vorangehenden Pumpe genau aufgebraucht, wenn das Wasser die nächste erreicht, dies ist aber schwer abzustimmen. Eine grobe Abschätzung reicht in der Hinsicht allerdings bereits aus und betritt ohnehin nur Nutzer, deren Pumpleistung 1 Bar deutlich überschreitet.


    5. Die Analogie zu Lüftern

    Was für Pumpen gilt, gilt auch für Lüfter. Natürlich sind hier die Kennlinien anders, so erreichen Lüfter nur wenige mm Wassersäule an Druck, andererseits ist der Volumenstrom in der Regel bedeutend höher. Zudem stellt selbst ein Radiator bei weitem keinen so hohen Widerstand dar, so verliert man durch einen Radiator in der Regel 50% des Luftstroms, bei dickeren Radiatoren mit dichten Finnen, die man in einer leisen Wakü aber ohnehin nicht einsetzt, auch mehr, bei Slim-Radiatoren oder Radiatoren mit sehr geringer Finnendichte auch durchaus weniger. Daher befindet man sich deutlich weiter im Bereich rechts auf der Kennlinie, in etwa mittig zwischen maximalem Druck und maximalem Durchsatz.


    Gerade bei Lüftern wird die Parallelschaltung sehr oft verwendet und ist auch immer eine gute Lösung, nämlich auf jedem Radiator mit mehreren Lüfterplätzen auf einer Seite. Ganz richtig ist das zwar nicht, weil es zwei separate Luftströme sind und nicht 2 Lüfter parallel einen Lüfterplatz auf dem Radiator versorgen, aber vergleichbar.


    Dennoch ist ein serieller Einsatz von Lüftern keineswegs unsinnig, wenn auch seltener: Push-Pull stellt nahezu genau das dar, was mehrere Pumpen machen. Dabei muss man zwar bedenken, dass der saugende Lüfter den Gegendruck reduziert und es so dem blasenden leichter macht, Luft zu befördern (beim alleinigen Pull-Betrieb erledigt das der Atmosphärendruck), sodass man eine deutliche Verschiebung auf der Kennlinie erkennt und sich dem maximalen Durchsatz deutlich nähert. Man darf aber nicht vergessen, dass man sich bereits deutlich weiter im Bereich des Durchsatzes befindet und ohnehin keinen so großen Druckverlust mehr hat. Dementsprechend wird eine Druckerhöhung zwar durchaus den Schnittpunkt verschieben, sodass man mehr Durchsatz hat, aber so viel von der Kennlinie ist eben nicht mehr übrig. Man kann eben nicht mehr als die theoretischen noch fehlenden 40-50% bis zum Maximalwert erreichen. Da man aber Gegendruck hat und den Lüfterdruck "nur" verdoppelt, sind allenfalls 20, vielleicht 25% mehr Luftdurchsatz möglich. Daher und weil Radiatoren (gerade dünne) nicht linear mit Luftstrom skalieren, darf man sich von Push-Pull nicht zu viel versprechen, ~20% bessere Temperaturen sind bei niedrigen Lüfterdrehzahlen und dünnen Radiatoren allerdings im Rahmen des möglichen.

    Zu beachten ist das auch bei unterschiedlichen Bestückungen und Drehzahlen. Leistet eine Seite bereits mehr als die andere, sprich, der Durchsatz trotz Widerstand durch den Radiator ist höher als der maximale Durchsatz, den die schwächere Seite erreichen kann, wird diese zur Bremse und verschlechtert den Durchsatz durch den Radiator sogar. In einem solchen Fall ist Push-Pull gar kontraproduktiv. Selbst wenn die maximale Leistung der schwächeren Seite nicht geringer, sondern höher als die Leistung gegen den Gegendruck der anderen Seite ist, muss sie nicht unbedingt viel bringen. Wenn die schwächere Seite nicht einen vergleichbaren Druck wie die stärkere aufbaut, kann sich auch kein deutlich höherer Druck aufbauen und somit nicht relevant mehr Luft durchströmen. Im Idealfall bauen beide Seiten also gleich viel Druck auf, sprich die Drehzahl sollte bei gleichen Lüftern nahezu identisch sein. Die Pull-Seite kann hier durch geringe Effekte bei der Luftstromverteilung auch etwas schneller drehen.


    Im Gegenzug dazu skaliert Radiatorfläche allerdings nahezu linear, sofern möglich, sollte man immer zu mehr Radiatorfläche greifen. Das bringt einfach mehr.


    Wenn man sich an diese Grundsätze zu Pumpen und auch Lüftern hält, kann einen da eigentlich nichts mehr überraschen.8)

    Akustik ist natürlich wieder eine andere Geschichte.

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