In the note Air in Water and Water in Air, I discussed about the basic properties of air and water, this note/post focuses on their heat transfer characteristics. We’ll explore why liquid cooling becomes essential for high heat density equipment, like server racks.”
When comparing air and water in terms of their heat transfer properties, particularly in the context of liquid cooling (using water properties for this comparison), it becomes evident that water is significantly more efficient as a heat transfer medium. This efficiency results in a system that uses less overall transport energy (pumps vs fans) and has a smaller mechanical footprint and material (pipework vs ductwork) requirements than an equivalent air-based system.
The amount of heat transported by a fluid, whether air or water, can be determined by the following equation (eq. 1):
q = m.cp.dT –> q = d.Q.cp.dT (eq. 1)
Where:
q = heat transfer rate (kW)
m = mass flowrate (kg/s)
cp = specific heat capacity (kJ/kg.K)
dT = temperature differencce (K or °C)
Q = volume flowrate (m3/s)
ρ (or d) = fluid density (kg/m3)
For the purpose of comparing heat transport capacity, we assume the same heat transfer rate (qw=qa). Under these conditions, we can compare the volume flow rates required for air and water. Taking air as the benchmark, the ratio of water volume flow rate to air volume flow rate is given by (eq. 2):
Qw/Qa = (ρa.cpa.dTa) / (ρw.cpw.dTw) (eq. 2)
Based on typical properties:
– Density of air (ρa) ≈ 1.2 kg/m3
– Specific heat of air (cpa) ≈ 1.005 kJ/kg.K
– Density of water (ρw) ≈ 1,000 kg/m3
– Specific heat of water (cpw) ≈ 4.186 kJ/kg.K
Note: For actual properties, see in the calculation sheet in picture)
Substituting these value into eq. 2, we get:
Scenario 1: Idealized Comparison (Same Temperature Difference) If we consider the idealized case where the temperature difference for both air and water is the same (dTw=dTa), as is often seen in high-density liquid cooling applications like high density data center racks; medical equipment (i.e., Proton therapy system); or industrial machines, water requires only about 0.0003 times the volume flow rate of air.
Scenario 2: Typical HVAC System Temperature Differences For a more typical comfort air conditioning system, where the temperature difference for air (dTa) is about 11 °C and for water (dTw) is about 6 °C, the calculation shows that water requires approximately 0.0006 times the volume flow rate of air.
This comparison clearly illustrates why liquid cooling (or water cooling) is often considered essential when heat density is higher. This is because air cooling reaches its limits in such scenarios, both in terms of the physical footprint of air-side equipment and its associated energy consumption.
TH
ในบทความที่แล้ว Air in Water and Water in Air ได้พูดถึงคุณสมบัติพื้นฐานของอากาศและน้ำ ในบทความนี้จะกล่าวถึงคุณสมบัติในการระบายความร้อนของอากาศและน้ำ
เมื่อเปรียบเทียบอากาศและน้ำในด้านของคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อน โดยเฉพาะการระบายความร้อนด้วยของเหลว (ในที่นี้ใช้น้ำในการเปรียบเทียบ) จะเห็นว่า น้ำมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนสูงกว่าอากาศมาก ส่งผลให้ระบบใช้พลังงานโดยรวมน้อยลง และมีขนาดอุปกรณ์ และวัสดุที่เล็กกว่าเมื่อเทียบกับระบบที่ใช้อากาศในการระบายความร้อน
การคิดปริมาณความร้อนของ ของไหล (Fluid) ไม่ว่าจะเป็นอากาศหรือน้ำ สามารถคำนวณได้จากสมการที่ 1 (ดูในบทความภาคภาษาอังกฤษหรือในรูปภาพประกอบ)
ในการเปรียบเทียบความสามารถในการถ่ายเทความร้อน ในที่นี้จะสมมติให้ qw=qa (เนื่องจากต้องการระบายความร้อนปริมาณเท่ากัน) และเปรียบเทียบอัตราการไหลเชิงปริมาตรที่ต้องการสำหรับอากาศและน้ำ (ใช้อากาศเป็น Benchmark ในการเปรียบเทียบ) อัตราส่วนของอัตราการไหลเชิงปริมาตรของน้ำต่ออัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศแสดงได้ตามสมการที่ 2 (ดูในบทความภาคภาษาอังกฤษหรือในรูปภาพประกอบ)
กรณีที่ 1: สมมติให้ผลต่างของอุณหภูมิเท่ากัน (dTw=dTa เช่นที่พบได้ใน Liquid cooling สำหรับ Racks ใน Data center) จะได้ว่า น้ำต้องการอัตราการไหลเชิงปริมาตรประมาณ 0.0003 เท่าของอากาศ เท่านั้น
กรณีที่ 2: พิจารณาผลต่างของอุณหภูมิทั่วไปในระบบ HVAC (Thermal comfort application) ทั่วไป dT ของอากาศประมาณ 11 °C ในขณะที่ dT ของน้ำประมาณ 6 °C พบว่าน้ำต้องการอัตราการไหลเชิงปริมาตรประมาณ 0.0006 เท่าของอากาศ
จากความแตกต่างของอัตราการไหลเชิงปริมาตร แสดงให้เห็นว่า เมื่อใช้ของเหลวในการระบายความร้อนจะใช้ท่อขนาดเล็กกว่ามากเมื่อเทียบกับท่อลม นอกจากนี้ อัตราการไหลเชิงปริมาตรที่ลดลงยังช่วยลดพลังงานที่จำเป็นสำหรับการส่งของไหลไปยังจุด Terminal point ซึ่งส่งผลให้ระบบมีการใช้พลังงานลดลง
Leave a Reply