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Auswahl Lüfter für Wärmetauscher – Teil 1 von 2

wärmetauscher fan

Einer der wichtigsten Parameter bei der Luft/Flüssig-Kühlung ist die Luftströmung. Für die Berechnung der Luftströmung, die für die Kühlung eines Prozesses benötigt wird, muss man die Menge der abgeleiteten Wärme und die Veränderung der Lufttemperatur kennen. Die Luftströmung allein ist jedoch für die Auswahl eines Lüfters nicht ausreichend. Der Systemwiderstand entlang dem Luftströmungspfad muss ebenfalls berechnet werden. Die Luftströmung und der Systemwiderstand bestimmen den Arbeitspunkt des Lüfters, der für die Kühlung eines Prozesses nötig ist. Bei der Auswahl eines Lüfters  für einen Wärmetauscher  müssen weitere Überlegungen berücksichtigt werden: ob ein Lüfter oder ein Kühlgebläse verwendet werden soll, ob man eine konstante oder eine variable Strömung bevorzugen sollte, und ob man einen Wechselstrom- oder Gleichstromlüfter verwenden will.

Ermittlung der Anforderungen an die Luftströmung

Wie bereits erwähnt, besteht der erste Schritt bei der Auswahl eines Lüfters für einen Wärmetauscher darin, die Luftströmung, die für die Ableitung der im Prozess erzeugten Wärme nötig ist, annähernd zu bestimmen. Die Basisgleichung für die Schätzung der erforderlichen Luftströmung lautet:

 (1)

Diese Gleichung wird auch als Wärmeleistungsformel bezeichnet. Durch die Einbeziehung der Umrechnungsfaktoren und der spezifischen Wärme und Dichte von Luft bei Standardtemperatur und -druck (STP) lässt sich die Gleichung (1) vereinfachen zu:

 (2)

Wobei:

 

Bei Gleichung (2) wird die volumetrische Durchsatzrate in Kubikfuß pro Minute (cfm) angegeben. Die übertragene Wärmemenge wird in Watt ausgedrückt und die Maßeinheit für die Temperaturänderung ist in Grad Fahrenheit ausgewiesen. Für die Ableitung von 145 Watt Wärme aus einem kleinen Elektronikgehäuse für eine Luftkühlung von 90°F (32°C) auf 73°F (23°C) bräuchten wir also:

 (3)

Dies ist die Luftströmung, die unter STP-Bedingungen für die Ableitung der Wärme im Gehäuse benötigt wird. Zu beachten ist, dass die Luftmasse die Kühlleistung bestimmt, nicht das Luftvolumen.

Bestimmung des Systemwiderstandes

Nachdem wir die Luftströmung geschätzt haben, müssen wir den Systemwiderstand oder "Luftströmungswiderstand" berechnen bzw. messen. Der Systemwiderstand wird als statischer Druck in einer Funktion von der Luftströmung ausgedrückt. Eine typische Systemwiderstandskurve wird durch Gleichung (4) geregelt:

 (4)

Where:

 

Diese Gleichung beschreibt das Verhältnis zwischen dem statischen Druck und der Luftströmung, die für ein bestimmtes System benötigt werden.

Wenn wir noch einmal das vorherige Beispiel ansehen, können wir dort mit Gleichung (4) berechnen, dass der statische Druck im Gehäuse 0,11 Zoll Wasser beträgt. Bei dieser Anwendung ist bis zu 1 gal/min (3,78 l/min) Betriebswasser bei 52°F (11°C) verfügbar. Wir müssen einen Lüfter auswählen, der einen Luftdurchsatz von mindestens 27 cfm (0,7646 m³/min) bei 0,11 Zoll Wasser bietet und dazu einen Wärmetauscher, der die folgende Leistung aufweist, wenn Wasser bei maximal 1 gal/min (3,78 l/min) verwendet wird:

 (5)

ITD steht für die anfängliche Temperaturdifferenz zwischen der einströmenden heißen Luft und dem kalten Wasser.

Abbildung 1 (siehe unten) zeigt, dass der Kupferwärmetauscher 6105  von Lytron eine Wärmeleistung von 6,9 W/°C bietet, wenn er mit einem Lüfter gekoppelt wird, der mindestens 27 cfm (0,7646 m³/min) und einen Wasserdurchsatz über 0,25 gal/min (0,945 l/min) bietet. Wenn wir ein Lüftermodell MU1225S von Oriental Motor wählen (siehe Abbildung 2), dann sehen wir an der rosafarbenen senkrechten und waagerechten Linie, dass dieser Lüfter bei den erforderlichen 0,11 Zoll Wasser 39 cfm (1,092 m³/min) leistet und damit unseren Bedarf von 27 cfm (0,7646 m³/min) bei weitem übertrifft. Zu beachten ist allerdings, dass sich Lüfterzubehörteile wie Fingerschutz und Filter auf die Lüfterleistung auswirken. Dies wird durch die Luftdurchsatzwerte an den Punkten A, B und C in Abbildung 2 verdeutlicht. In einem System mit hohem Widerstand wie bei unserem Beispiel sind die Auswirkungen auf die Lüfterleistung minimal. In einem System mit geringem Widerstand hingegen können die Auswirkungen auf die Lüfterleistung größer sein. Wenn unser Gehäuse einen klaren Luftströmungspfad hätte, wäre der Systemwiderstand relativ niedrig und die Zubehörteile hätten erhebliche Auswirkungen auf die Lüfterleistung. Dies ist in Abbildung 1 an den Luftströmungsdifferenzen zwischen den Punkten D, E und F zu sehen. Eine erhebliche Minderung des Luftdurchsatzes gegenüber der erforderlichen Menge wirkt sich auf die Leistung des Wärmetauschers aus.

Abbildung 1

 Heat Exchanger Performance Graph(6105)

Abbildung 2

 System Impedance vs. Fan Curve Graph

Zusätzlich zum Luftdurchsatz und zum Systemwiderstand müssen weitere wichtige Faktoren in Betracht gezogen werden, wenn es um die Auswahl des richtigen Lüfters geht: Art des Lüfters, konstante oder variable Strömung, Gleichstrom oder Wechselstrom, Luftdichte, Geräusch, Nutzungsdauer, elektromagnetische Interferenz/Radio-Frequenz-Interferenz (EMI/RFI) usw. (Teil 2 im Newsletter für den nächsten Monat wird die Berücksichtigung der Luftdichte, des hörbaren Geräusches, der Nutzungsdauer und der EMI/RFI-Interferenz behandeln.)

Wärmetauscher ZentrifugalgebläseZentrifugalgebläse

Axiallüfter oder Kühlgebläse

Nachdem der Systemwiderstand und der insgesamt benötigte Luftdurchsatz ermittelt wurden, muss als nächstes überlegt werden, was für eine Art von Lüfter generell verwendet werden soll. Die häufigsten Lüfterarten sind Axiallüfter und Kühlgebläse. Ein Axiallüfter bewegt Luft parallel zur Richtung der Lüfterblattachse. Er funktioniert gut bei niedrigem statischen Druck und wird bevorzugt, wenn ein leises Lüftergeräusch gewünscht ist. Kühlgebläse sind zentrifugal konstruiert. Die Luft bewegt sich rechtwinklig zur Rotationsachse. Sie eignen sich für Hochdruckanwendungen wie Telekommunikation und Hochleistungsserver und erreichen ihre maximale Betriebseffizienz nahe bei ihrem höchsten statischen Druck.

Konstante oder variable Strömung

Lüfter haben oft eine zu hohe Kapazität, weil die Kapazitätsberechnungen vom schlechtestmöglichen Szenario ausgegangen sind. Beispielsweise kann die Lüfterkapazität anhand der maximal erforderlichen Wärmeableitung für eine extrem hohe Umgebungstemperatur berechnet werden. In diesem Fall wird die zusätzliche Leistung eines Lüfters mit zu hoher Kapazität unter Umständen nur in Extremsituationen gebraucht. Für viele Arbeitsphasen wäre ein beträchtlich geringerer Luftdurchsatz ausreichend (z. B. für niedrigere Umgebungstemperaturen oder wenn die Geräte nur mit partieller Belastung betrieben werden). "Intelligente" Lüfter sind eine effektive Lösung für Anwendungen, bei denen die Anpassung an wechselnde Bedingungen erforderlich ist. Bei dieser Art der temperaturabhängigen Lüftersteuerung sinkt die Drehzahl, wenn die Wärmebelastung gering ist. Folglich sinken auch die Lärmbelastung und der Energiebedarf.

Wechselstrom- oder Gleichstromlüfter

Selbstverständlich kommt es auf die für Ihr System verfügbare Stromquelle an, welche Art von Lüfter Sie verwenden können. Wenn Ihre Anwendung hinsichtlich Gleich- oder Wechselstrom flexibel ist, sollten Sie allerdings die Vorteile eines Gleichstromlüfters gegenüber einem Wechselstromlüfter abwägen. Ein Gleichstromlüfter sorgt für variable Strömung, während ein Wechselstromlüfter eine konstante Strömung bietet. In der Vergangenheit waren Gleichstromlüfter erheblich teurer als Wechselstromlüfter. Heutzutage ist der Preisunterschied praktisch null und Sie können Ihre Entscheidung anhand von Kriterien wie Leistung und Funktionalität treffen. Obgleich Wechselstromlüfter heute immer noch sehr häufig verwendet werden, zeichnen sich Gleichstromlüfter durch eine höhere Nutzungsdauer, etwa 60 % geringeren Energiebedarf und geringere elektromagnetische und Radio-Frequenz-Interferenzen aus.

Bei der Auswahl eines Lüfters für einen Wärmetauscher ist es wichtig, nicht nur den Kühlbedarf und den Systemwiderstand zu betrachten, sondern auch die Art des Lüfters, konstante im Gegensatz zu variabler Strömung und den Betrieb mit Gleich- oder Wechselstrom. In Teil 2 dieses Artikels werden zusätzliche Überlegungen bei der Lüfterauswahl erörtert, wie beispielsweise die Nutzungsdauer, Luftdichte und die EMI/RFI-Interferenz.