Wie Sie berechnen können, welcher Lüfter für Ihre Anwendung geeignet ist
Die bekannteste Art von Wärmetauschern ist der Kühler im Auto. Bei einem Kühler überträgt eine Lösung aus Wasser und Ethylenglykol, auch als Frostschutzmittel bekannt, Wärme vom Motor auf den Kühler und dann vom Kühler auf die Umgebungsluft, die durch diesen strömt. Dieser Prozess verhindert, dass der Motor des Autos überhitzt. In ähnlicher Weise sind auch die Wärmetauscher von Boyd dafür ausgelegt, überschüssige Wärme von Flugzeugtriebwerken, Optiken, Röntgenröhren, Lasern, Stromversorung, militärischer Ausrüstung sowie vielen anderen Arten von Ausrüstung, die mehr Kühlung erfordern als luftgekühlte Kühlkörper leisten können, abzuleiten.
Einer der wichtigsten Parameter bei der Luft-zu-Flüssigkeit-Kühlung ist der Luftstrom. Um den für die Kühlung eines Prozesses erforderlichen Luftstrom zu berechnen, müssen die abzuführende Wärmemenge und die Veränderung der Lufttemperatur bekannt sein. Der Luftstrom alleine ist aber nicht ausreichend, um einen Lüfter zu wählen. Der Systemwiderstand entlang dem Luftströmungspfad muss ebenfalls berechnet werden. Der für die Kühlung eines Prozesses nötige Betriebspunkt des Lüfters ergibt sich aus Luftstrom und Systemwiderstand. Bei der Wahl eines Lüfters für einen Wärmetauscher sind weitere zu beachtende Punkte die Entscheidung zwischen Lüfter und Gebläse, konstantem und variablem Luftstrom sowie Wechsel- und Gleichstrom.
Ermitteln der Anforderungen an den Luftstrom
Dies ist die Wärmekapazitätsgleichung. Durch Einbezug der Umrechnungsfaktoren und der spezifischen Wärme und Dichte von Luft bei Normalbedingungen lässt sich die Gleichung (1) vereinfachen zu:
In Gleichung (2) sind die Einheiten für den Volumenstrom in Kubikfuß pro Minute (CPM), für die übertragene Wärme in Watt und für die Temperaturänderungen in Grad Fahrenheit angegeben. Um zum Beispiel 145 W Wärme von einem kleinem Steuerschrank abzuleiten und die Luft von 90 °F (32 °C) auf 73 °F (23 °C) zu kühlen, brauchen wir:
Dies ist der Luftstrom, der bei Normalbedingungen erforderlich ist, um die im Schrank erzeugte Wärme abzuleiten. Es ist zu beachten, dass die Masse und nicht das Volumen der Luft für die Kühlkapazität ausschlaggebend ist.
Bestimmung des Systemwiderstands
Nachdem der Luftstrom geschätzt wurde, muss der Systemwiderstand bzw. Strömungswiderstand berechnet oder gemessen werden. Der Systemwiderstand wird als statischer Druck als Funktion des Luftstroms ausgedrückt. Eine typische Systemwiderstandskurve wird von der folgenden Gleichung (4) beschrieben:
Diese Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen dem statischen Druck und dem in einem bestimmten System erforderlichen Luftstrom.
Für das vorherige Beispiel errechnen wir mit Gleichung (4), dass der statische Druck im Schrank 0,11 Zoll Wassersäule betragen muss. Bei dieser Anwendung stehen bis zu 1 gpm Wasser bei 52 °F (11 °C) zur Verfügung. Wir müssen also einen Lüfter wählen, der bei einem Druck von 0,11 Zoll Wassersäule einen Luftstrom von mindestens 27 Kubikfuß/Minute erreichen kann, sowie einen Wärmetauscher, der bei der Verwendung von Wasser bei 1 gpm oder weniger die folgende Leistung aufweist:
ITD ist der ursprüngliche Temperaturunterschied zwischen der einströmenden heißen Luft und dem kalten Wasser.
Wie Abbildung 1 unten zeigt, erbringt ein 6105 Kupferkühlrippenwärmetauscher 6,9 W/°C, wenn er mit einem Lüfter verwendet wird, der mindestens 27 Kubikfuß/Minute erbringt, und der Wasserstrom mindestens 0,25 gpm beträgt. Wenn wir einen MU 1225 S-Lüfter von Oriental Motor wie in Abbildung 2 wählen, zeigen die vertikalen und horizontalen rosa Linien, dass dieser Lüfter bei den erforderlichen 0,11 Zoll Wassersäule 39 Kubikfuß/Minute, also deutlich mehr als die erforderlichen 27 Kubikfuß/Minute, erbringt. Es ist aber wichtig, zu berücksichtigen, dass Lüfterzubehör wie Fingerschutze und Filter die Leistung des Lüfters beeinträchtigen können. Dies sieht man in Abbildung 2 am Unterschied zwischen dem Luftstrom an Punkten A, B und C. Bei Systemen mit hohem Widerstand wie in unserem Beispiel ist dieser Einfluss minimal. In Systemen mit niedrigem Widerstand kann dies aber zu wesentlichen Auswirkungen auf die Lüfterleistung führen. Wenn unserer Schrank über einen freien Luftstromweg verfügte, wäre der Systemwiderstand relativ gering und Zubehörteile würden sich wesentlich auf die Lüfterleistung auswirken. Dies sieht man an den unterschiedlichen Luftstromraten an Punkten D, E und F in Abbildung 1. Jegliche wesentliche Abweichungen des Luftstroms von der erforderlichen Menge wird die Leistung des Wärmetauschers beeinflussen.
Zusätzlich zu Luftstrom und Systemwiderstand müssen bei der Lüfterwahl auch andere wichtige Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem die Art des Lüfters, konstanter oder variabler Luftstrom, Wechsel- oder Gleichstrom, Luftdichte, Lärmpegel, Lebensdauer und elektromagnetische Störungen.
Axiallüfter oder Gebläse
Nachdem der Systemwiderstand und der erforderliche Luftstrom bestimmt wurden, ist die nächste Erwägung üblicherweise die Art des Lüfters. Die häufigsten Lüfterarten sind Axiallüfter und Gebläse. Ein Axiallüfter bewegt Luft parallel zur Ausrichtung der Lüfterflügelachse. Diese sind gut für Bedingungen mit niedrigem statischem Druck geeignet und werden bevorzugt, wenn ein niedriger Lärmpegel wichtig ist. Gebläse verfügen über eine zentrifugales Bauweise und bewegen die Luft senkrecht zur Rotationsachse. Sie sind gut für den Einsatz unter hohem Druck wie in der Telekommunikation oder bei leistungsstarken Servern geeignet und erreichen ihre höchste Effizienz, wenn sie nahe des maximalen statischen Drucks betrieben werden.
Konstanter oder variabler Luftstrom
Oft werden zu große Lüfter gewählt, da die Berechnungen vom Extremszenario ausgehen. So könnte ein Lüfter entsprechend der maximal erforderlichen Wärmeabfuhr oder auf Basis einer extrem hohen Umgebungstemperatur ausgewählt werden. In diesem Fall wird die zusätzliche Leistung des übergroßen Lüfters nur in Extremfällen benötigt. Für die meisten Betriebszeiten würde ein deutlich niedrigerer Luftstrom ausreichen. So könnte bei niedrigeren Umgebungstemperaturen, oder wenn die Geräte nicht auf voller Leistung laufen, ein niedrigerer Luftstrom genutzt werden. „Intelligente“ Lüfter sind eine für solche Anwendungen, bei denen eine Anpassung an wechselnde Bedingungen notwendig ist, eine praktische Lösung. Mit dieser Art der temperaturabhängigen Lüftersteuerung wird die Geschwindigkeit gedrosselt, wenn die Wärmebelastung niedrig ist. Das reduziert den Lärmpegel und den Energieverbrauch.
Wechselstrom- oder Gleichstromlüfter
Die verfügbare Art von Strom Ihres Systems wird Ihnen die Entscheidung für die Lüfterart abnehmen. Wenn Sie aber die Wahl haben, sollten Sie die Vor- und Nachteile von Gleichstrom- und Wechselstromlüftern abwägen. Ein Gleichstromlüfter erzeugt einen variablen Luftstrom, ein Wechselstromlüfter einen konstanten Strom. In der Vergangenheit waren Gleichstromlüfter deutlich teurer als Wechselstromlüfter. Heutzutage gibt es fast keinen Preisunterschied mehr und die Entscheidung kann anhand von Leistung und Funktionalität getroffen werden. Wechselstromlüfter sind zwar noch sehr weit verbreitet, aber Gleichstromlüfter bieten eine längere Lebensdauer, verbrauchen ca. 60 % weniger Strom und führen zu weniger elektromagnetischen Störungen (EMI) und Funkstörungen (RFI).
Bei der Wahl eines Lüfters für einen Wärmetauscher ist es also wichtig, nicht nur an die Kühlanforderungen und den Systemwiderstand zu denken, sondern auch die Art des Lüfters, konstanten oder variablen Luftstrom und Gleichstrom oder Wechselstrom zu berücksichtigen. Weiter unten in diesem Beitrag werden zusätzliche Überlegungen zu Lüftern wie Lebenserwartung, Luftdichte, Geräuschentwicklung und EMI/RFI-Interferenzen erörtert.
Wie Sie berechnen können, welcher Lüfter ...
Bei Kühlungsanwendungen von Luft auf Flüssigkeit bzw. Flüssigkeit auf Luft ist der Luftstrom einer der wichtigsten Faktoren. Die Wahl des richtigen Lüfters ist also genauso wichtig wie die Wahl des richtigen Wärmetauschers. Wir haben die Anforderungen an den Luftstrom und die Systemimpedanz berechnet und Auswahlkriterien wie Wechsel- oder Gleichstrom, konstantem oder variablem Luftstrom sowie die Wahl zwischen Lüfter und Gebläse besprochen. Dieser Artikel behandelt weitere wichtige Auswahlkriterien bei der Lüfterwahl für Wärmetauscher, darunter Auswirkungen der Luftdichte, Lärmpegel, Lebensdauer und elektromagnetische Störungen.
Auswirkungen der Luftdichte
Wie in diesem Artikel erwähnt, ist es die Masse der Luft, und nicht das Volumen, die die Kühlleistung bestimmt. Der Grund ist, dass jedes Luftmolekül über eine Masse verfügt und es ist diese Masse, die Wärme aufnehmen bzw. übertragen kann. Je mehr Luftmoleküle es in einem bestimmten Volumen gibt, desto mehr Wärme kann diese Masse aufnehmen bzw. übertragen. Die Masse an Luft in einem bestimmten Volumen variiert aber in Abhängigkeit von der Höhe über Normal-Null und der Temperatur. Wenn wir von Luftstrom sprechen, wird die Definition der Dichte besser wie in der folgenden Gleichung als Funktion der Zeit ausgedrückt:
Lüfter bieten einen konstanten Luftstrom unabhängig von der Luftdichte. Anders ausgedrückt liefert ein Lüfter 300 Kubikfuß pro Minute bei einer Lufttemperatur von 70 °F auf Meereshöhe bzw. 250 °F, wenn er sich 10 Fuß über dem Meeresspiegel befindet.
Lassen Sie uns das nun einmal anhand eines Beispiels betrachten. Wenn wir von einem durch einen Lüfter erbrachten Volumendurchfluss von 300 Kubikfuß pro Minute trockener Luft ausgehen, wie hoch ist dann der Luftmassenstrom bei 70 °F auf Meereshöhe, bei 250 °F auf Meereshöhe und bei 250 °F bei 10 Fuß über dem Meeresspiegel?
Tabelle 1: Vergleich von Luftdichten und Massenströmen bei verschiedenen Temperaturen und Höhen| Umgebung | Dichte (lb/Fuß3) | Massenstrom (lb/h) |
| Auf Meereshöhe, 70 °F | 0,07 | 1350 |
| Auf Meereshöhe, 250 °F | 0,06 | 1008 |
| 10 Fuß, 250 °F | 0,04 | 684 |
In Tabelle 1 sehen wir, dass entsprechend der Gleichung 1 oben trockene Luft bei 70 °F auf Meereshöhe 34 % mehr wiegt als trockene Luft bei 250 °F auf Meereshöhe und 97 % mehr als trockene Luft bei 250 °F auf 10 Fuß Höhe. Folglich braucht das System auf Meereshöhe bei 250 °F 402 Kubikfuß pro Minute (1,34 x 300 Kubikfuß pro Minute) trockene Luft, um auf die gleiche Kühlkapazität wie bei 70 °F auf Meereshöhe zu erbringen. Bei 250 °F bei 10 Fuß über dem Meeresspiegel würde das System 591 Kubikfuß pro Minute (1,97 x 300 Kubikfuß pro Minute) trockene Luft erfordern, um die gleiche Kühlleistung wie bei 70 °F auf Meeresspiegel zu erbringen. Beachten Sie bitte, dass für diese Analyse angenommen wurde, dass der Temperaturunterschied zwischen der einströmenden heißen Flüssigkeit und der Kühlluft gleich bleibt.
Die Auswirkung der Luftfeuchtigkeit ist zwar für die Kühlergröße vernachlässigbar, kann sich aber auf die Leistung eines Wärmetauschers auswirken, wenn ein Lüfter im Luftstrom nachgelagert im Ansaugmodus eingesetzt wird. Wenn warme, feuchte Luft kondensiert, können sich auf den Wärmetauscherlamellen Wassertröpfchen bilden, die die Leistung verringern und zu Korrosion führen können. Kondenswasser kann auch zu Kurzschlüssen im Lüfter führen.
Geräuschentwicklung
Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Wahl eines Lüfters ist die Geräuschentwicklung. Diese hat zwar keinen direkten Einfluss auf die Leistung des Lüfters, muss bei der Wahl eines Lüfters aber aufgrund zweier wichtiger Gründe trotzdem berücksichtigt werden. Zunächst kann Lärm die Arbeitseffizienz beeinflussen und im Extremfall zu langfristigen Hörproblemen führen. Standards zur berufsbedingten Lärmbelastung am Arbeitsplatz wie OSHA 1.910,95 der US-amerikanischen Behörde für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz (OSHA, U.S. Occupational Safety and Health Administration) geben Grenzwerte für die Belastung durch verschiedene Arten an Lärm an, denen Arbeiter ohne Hörschutz ausgesetzt sein können, ohne Hörschäden davonzutragen.
Der Lärmpegel kann auch wesentliche Auswirkungen auf den Betrieb und die Zuverlässigkeit eines Systems haben. Der Lärmpegel kann die Funktion einiger elektronischer Geräte beeinflussen. Wenn diese die Vibrationen absorbieren, können die Vibrationen zu Ermüdungen führen. Mancherorts, wie beispielsweise in Laboren, gibt es möglicherweise auch lärmempfindliche Instrumente.
Die Auslegung des Lüfters kann Breitbandgeräusche minimieren, indem die Luft von der Oberfläche des Lüfterflügels und der Austrittskante getrennt wird. Geräusche können auch durch den richtigen Anstellwinkel und gesichelte oder gezackte Austrittskanten minimiert werden. Unsere leistungsstarken zweiseitig saugenden Gebläse (Double Width Double Inlet, DWDI) wurden speziell entwickelt, um die Akustik zu verbessern und den Geräuschpegel zu verringern. Dies führt zu einer angenehmeren Nutzung und zu verringerten Vibrationen, die empfindliche Geräte beeinflussen könnten.
Lebensdauer
Die Lebensdauer von Lüftern ist definiert als der Zeitraum, über den ein Lüfter konstant betrieben werden kann, ohne an Drehgeschwindigkeit einzubüßen oder so laut zu werden, dass der Einsatz nicht mehr möglich ist. Für Lüfter ist üblicherweise eine lange ausfallfreie Lebensdauer wichtig, um die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten. Die meisten Lüfterausfälle gehen auf Lagerschäden zurück. Anders als bei Motoren- oder Getriebekopflagern, die hohe Lasten tragen, sind die Lasten von Lagern in Kühlungslüftern üblicherweise vernachlässigbar. Die Lebensdauer des Lüfters lässt sich also daran messen, wie schnell die Qualität des Schmiermittels nachlässt. Da Lüfter im Vergleich zu Motoren für schweres Gerät nur über ein geringes Lauf- bzw. Anlaufmoment verfügen, drehen sie sich nicht richtig, wenn die Qualität des Schmiermittels nachlässt. Wenn das der Fall ist, nimmt die Anlaufspannung zu und der Lüfter springt möglicherweise nicht an. Wenn die Qualität des Schmiermittels nachlässt, führt das auch zu einem höheren Lärmpegel, der von den Lagern ausgeht.
Die zwei am häufigsten verwendeten Methoden zur Angabe der Lebensdauer von Lüftern sind der häufiger genutzte L10-Wert und die mittlere Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen (Mean Time Between Failures, MTBF). Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten liegt darin, dass der L10-Wert speziell angibt, wie lange es dauert, bis 10 % einer Gruppe an Lüftern ausfallen. MTBF entspricht bei Lüftern in etwa der Zeit, die vergeht, bis 50 % der Lüfter ausgefallen sind. Die L10-Lebensdauer bei Lüftern liegt in der Regel zwischen 60 und 70 Stunden bei normalen Betriebsbedingungen zwischen -40 °C und 50 °C bei 75 % relativer Luftfeuchtigkeit. Die MTBF-Lebensdauer liegt für die gleichen Bedingungen üblicherweise zwischen 200 und 300 Stunden.
Für lange Lebensdauer gelten Lüfter mit hochwertigen Lagern als am zuverlässigsten. Wenn Sie die L10-Methode verwenden, um die Lebensdauer von Lüftern mit Gleitlagern und Kugellagern bei Temperaturen zwischen 25 °C und 60 °C zu vergleichen, halten die Kugellagerlüfter im Durchschnitt 50 % länger als Gleitlagerlüfter. Bei Raumtemperatur gibt es keinen nennenswerten Unterschied in der Lebensdauer von Gleitlager- und Kugellagerlüftern. Bei hohen Umgebungstemperaturen sind Kugellager in Lüftermotoren üblicherweise langlebiger als Gleitlager. Jüngste technische Verbesserungen bei flüssigkeitsgeschmierten Gleitlagern wie denen in unseren Axiallüftern und Sintergleitlagern haben bei wesentlich geringeren Kosten zu Lebenserwartungen mindestens entsprechend derer bei Kugellagern geführt.
EMI- und EMC-Interferenzen
Eine weitere Variable bei der Lüfterwahl sind elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Eine elektromagnetische Störungen ist per Definition elektrische Energie, die den normalen Betrieb eines Geräts stören kann. Diese EMI-Störungen lassen sich in zwei grobe Bereiche aufteilen: leitungsgebundene Störungen und eingestrahlte Störungen.
Leitungsgebundene Störungen beziehen sich auf jegliche unerwünschten Signale, die durch Strom- und Signalleitungen geleitet werden. Eingestrahlte Störungen sind jegliche unerwünschten Signale, die von einer Quelle ausstrahlen und den normalen Betrieb von Geräten stören können. Üblicherweise sind leitungsgebundene Störungen ein größeres Problem als eingestrahlte Störungen. Bei kollektorlosen Gleichstromlüftern sind leitungsgebundene Störungen normalerweise sogar das einzige Problem.
Üblicherweise sind Asynchronmotoren an Sinusspannung nicht die Quelle elektromagnetischer Störungen. In der Nähe des Motors und seiner Zuleitungen kann es aber zu kleineren magnetischen Störungen kommen. Gleichstrommotoren, gleich ob mechanisch oder elektronisch kommutiert, und elektronisch gesteuerte Wechselstrommotoren können zu elektromagnetischen Störungen führen. Elektromagnetische Störungen entstehen aus der Schaltung von Gleichstrom, die notwendig ist, um die Rotation der magnetischen Felder im Motor zu erreichen.
EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) bezeichnet die Fähigkeit von Geräten, im Betrieb keine unerwünschten elektromagnetischen Störungen abzugeben, die den Betrieb anderer elektronischer Geräte stören könnten, sowie die Fähigkeit, nicht von unerwünschten Störungen aus anderen Quellen gestört zu werden.
Insgesamt ist die Lüfterwahl ein sehr wichtiger Teil von Flüssigkeit-Luft- und Luft-Flüssigkeit-Kühlungen. Um die richtige Lüftergröße für eine Anwendung zu finden, bedarf es mehr, als bloß Luftstrom und statischen Druck zu berechnen. Wie in Teilen 1 und 2 dieses Artikels beschrieben gibt es noch andere wichtige Faktoren, die bei der Wahl der richtigen Lüftergröße für ein verlässliches System vom Entwickler berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören die Auswirkungen der Luftdichte, Lärmpegel, Lebensdauer und elektromagnetische Störungen.
Erfahren Sie mehr über unsere Axiallüfter und unsere leistungsstarken zweiseitig saugenden Gebläse (DWDI).
