Lüfterwahl für Wärmetauscher


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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.



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

Der erste Schritt bei der Wahl eines Lüfters für einen Wärmetauscher ist eine annähernde Berechnung des Luftstroms, der erforderlich ist, um die bei dem Prozess entstehende Wärme abzuführen. Die grundlegende Gleichung für die Schätzung des erforderlichen Luftstroms ist:



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:



Dabei gilt:



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:



Dabei gilt:



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. In Teil 2 beschäftigen wir uns mit Luftdichte, Lärmpegel, Lebensdauer und elektromagnetischen 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. Teil 2 dieses Artikels befasst sich mit zusätzlichen Aspekten bei der Lüfterwahl, darunter Lebensdauer, Luftdichte, Lärmpegel und elektromagnetische Störungen.


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