Lüfterwahl für Wärmetauscher – Teil 2


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Wie Sie berechnen können, welcher Lüfter für Ihre Anwendung geeignet ist

Ein Wärmetauscher ist ein Gerät, das entwickelt wurde, um Wärme effizient von einem Material auf ein anderes zu übertragen, sozusagen „auszutauschen“. Wenn ein Fluid benutzt wird, um Wärme zu übertragen, kann es sich bei diesem Fluid um eine Flüssigkeit wie Wasser oder Öl oder auch um bewegte Luft handeln. 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 Aavid 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.



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. Im Abschnitt „Lüfterwahl für Wärmetauscher – Teil 1“ haben wir 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. Teil 2 behandelt weitere wichtige Auswahlkriterien bei der Lüfterwahl für Wärmetauscher, darunter Auswirkungen der Luftdichte, Lärmpegel, Lebensdauer und elektromagnetische Störungen.




Auswirkungen der Luftdichte

Wie in Teil 1 dieses Artikels 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:



Dabei gilt:



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.




Elektromagnetische Störungen

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.


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