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Auswahl Lüfter für Wärmetauscher – Teil 2 von 2

wärmetauscher lüfter

Bei Luft/Flüssig- oder Flüssig/Luft-Kühlsystemen ist die Luftströmung einer der wichtigsten Parameter. Darum ist die Auswahl eines geeigneten Lüfters  genauso wichtig wie die Auswahl des Wärmetauschers. Im Artikel Auswahl des Lüfters für den Wärmetauscher, Teil 1  haben wir die Anforderungen an die Luftströmung und den Systemwiderstand berechnet und Auswahlfaktoren wie Gleich- oder Wechselstrom, konstante oder variable Strömung sowie die Auswahl eines Lüfters oder eines Kühlgebläses erörtert. Im 2. Teil dieses Artikels werden wir weitere wichtige Faktoren für die Auswahl des geeigneten Lüfters für den Wärmetauscher  behandeln, beispielsweise die Auswirkungen der Luftdichte, Geräuschpegel, Nutzungsdauer und elektromagnetische Interferenzen (EMI) bzw. elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Auswirkungen der Luftdichte

Wie in Teil 1 dieses Artikels bereits erwähnt wurde, richtet sich die Kühlkapazität nach der Masse der Luft, nicht nach dem Volumen. Das liegt daran, dass jedes Luftmolekül Masse hat und dass diese Masse die Fähigkeit besitzt, Wärme zu absorbieren oder zu übertragen. Je mehr Luftmoleküle in einem bestimmten Volumen enthalten sind, desto mehr Wärme kann diese Masse absorbieren bzw. übertragen. Allerdings variiert die Masse der Luft in einem bestimmten Volumen je nach Höhe und Temperatur. Im Zusammenhang mit der Luftströmung können wir die Dichte besser als eine Zeitfunktion mit folgender Gleichung ausdrücken:

 (1)

Wobei:

 

Lüfter sorgen für ein konstantes Luftströmungsvolumen, unabhängig von der Dichte der Luft. Mit anderen Worten, ein Lüfter liefert denselben Durchsatz von 8,4 m³/min, ganz gleich, ob die Lufttemperatur 21°C bei 0 m über NN beträgt oder 121°C bei einer Höhe von 3048 m über NN.

Dies soll nun an einem Beispiel veranschaulicht werden. Angenommen, ein Lüfter liefert einen volumetrischen Durchsatz von 8,4 m³ Trockenluft pro Minute, wie hoch wäre dann der Luftmassendurchsatz bei 21°C bei 0 m über NN, bei 121°C bei 0 m über NN und bei 121°C auf 3048 m über NN?

Tabelle 1 – Vergleich der Luftdichten und Massendurchsatzraten bei diversen Temperaturen und Höhen

Bedingung  Dichte (lb/ft3)  Massendurchsatz (lb/h) 
0 m über NN, 21°C 0.075 1350
0 m über NN, 121°C 0.056 1008
3048 m, 121°C 0.038 684

In Tabelle 1 können wir sehen, dass bei Anwendung der obigen Gleichung (1) Trockenluft bei 21°C auf 0 m über NN 34 % mehr wiegt als bei 121°C auf 0 m über NN, und dass sie 97 % mehr wiegt als bei 121°C auf 3048 m über NN. Folglich würde das System einen Durchsatz von 11,256 m³/min für Trockenluft bei 121°C auf 0 m über NN benötigen, um dieselbe Kühlleistung zu erzeugen wie bei 21°C auf 0 m über NN. Das System würde einen Durchsatz von 16,548 m³/min für Trockenluft bei 121°C auf 3048 m über NN benötigen, um dieselbe Kühlleistung zu erzeugen wie bei 21°C auf 0 m über NN. Es ist anzumerken, dass für diese Analyse jeweils dieselbe Temperaturdifferenz zwischen der eintretenden heißen Flüssigkeit und der Kühlluft vorausgesetzt wurde.

Obgleich die Luftfeuchtigkeit nur unbedeutende Auswirkungen auf die Lüftermaße hat, kann sie die Leistung eines Wärmetauschers dennoch bedeutend beeinflussen, wenn ein Lüfter luftstromabwärts im Ansaugmodus verwendet wird. Wenn warme, feuchte Luft kondensiert, können sich Wassertröpfchen auf den Kühlrippen des Wärmetauschers ansammeln. Diese vermindern die Leistung und können Korrosion bewirken. Die Kondensation kann zudem einen Kurzschluss im Lüfter verursachen.

Geräuschpegel

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Lüfterauswahl ist der Geräuschpegel. Der Geräuschpegel wirkt sich nicht direkt auf die Leistung aus, aber er muss aus zwei Gründen bei der Lüfterauswahl berücksichtigt werden. Erstens kann das Geräusch die Arbeitseffizienz einschränken oder in einigen Extremfällen sogar langfristige Gehörprobleme verursachen. Standards wie die OSHA-Norm 1910.95 (U.S. Occupational Safety and Health Administration) über Lärmbelastung am Arbeitsplatz begrenzt die Lärmbelastung auf diverse Geräuschpegel, die ohne Gehörschutz eingehalten werden müssen, um Verluste der Hörfähigkeit zu vermeiden.

Zweitens kann sich das Geräusch erheblich auf den Systembetrieb und die Zuverlässigkeit des Systems insgesamt auswirken. Das Geräusch kann die Funktion bestimmter elektronischer Geräte beeinträchtigen, die als Schwingungsdämpfer reagieren. Außerdem können durch die Schwingung Verschleißerscheinungen auftreten. Zudem enthalten einige Betriebsumgebungen wie Labore geräuschempfindliche Messgeräte.

Durch die Lüfterkonstruktion lassen sich einige Breitbandgeräusche minimieren, die durch die von der Lüfterschaufelfläche und -hinterkante bewirkte Luftzerlegung erzeugt werden. Das Geräusch kann durch den richtigen Einstellwinkel und eingekerbte oder gezackte Hinterkanten an den Lüfterschaufeln minimiert werden.

Nutzungsdauer

Die Nutzungsdauer eines Lüfters wird definiert als der Zeitraum, in dem der Lüfter ständig betrieben werden kann, ohne dass die Drehzahl erheblich nachlässt oder dass der Lüfter ein so lautes Geräusch macht, dass der Gebrauch nicht mehr möglich ist. Lüfter müssen normalerweise eine hohe, störungsfreie Lebensdauer aufweisen, um eine hohe Systemverlässlichkeit zu gewährleisten. Die meisten Lüfter versagen aufgrund von Defekten an den Lagern. Allerdings müssen die Lager bei Kühlventilatoren normalerweise nur minimalen Belastungen standhalten, ganz im Gegensatz zu Motor- oder Getriebekopflagern. Darum lässt sich die Nutzungsdauer eines Lüfters anhand der Verschlechterung des Schmierstoffs in den Lagern bestimmen. Da die Lüfter im Vergleich zu Motoren für den Antrieb von Schwermaschinen beim Starten und beim Betrieb nur ein geringes Drehmoment haben, drehen sie sich nicht richtig, wenn sich der Schmierstoff verschlechtert. In einem solchen Fall ist eine erhöhte Spannung zum Starten erforderlich und der Lüfter lässt sich eventuell nicht starten. Durch die Verschlechterung des Schmierstoffs erhöht sich auch das Lüftergeräusch, das durch die Lager erzeugt wird.

Die beiden häufigsten Methoden für die Bestimmung der Nutzungsdauer eines Lüfters sind die L10-Life-Methode und MTBF (Mean Time Between Failure - die mittlere Ausfallzeit). Der Unterschied zwischen diesen beiden Methoden liegt darin, dass sich L10 Life speziell auf die Zeitspanne bezieht, die verstreicht, bis 10 % einer Lüftergruppe versagt haben. MTBF kann im Hinblick auf Lüfter etwa als die Zeit angegeben werden, in der 50 % der Lüfter versagt haben. Der L10 Life-Wert für Lüfter liegt normalerweise zwischen 60.000 und 70.000 Stunden, sofern normale Betriebsbedingungen zwischen -40°C und 50°C bei einer Luftfeuchtigkeit von 75 % gegeben sind. Die Nutzungszeit in MTBF beträgt unter den gleichen Bedingungen normalerweise 200.000 bis 300.000 Stunden.

Für eine hohe Nutzungsdauer gelten Lüfter mit sehr gutem Kugellager normalerweise als am zuverlässigsten. Vergleicht man die Nutzungsdauer von Lüftern mit einfachem Gleitlager gegenüber Lüftern mit Kugellager nach der L10-Methode bei 25°C bis 60°C, so übertrifft die Nutzungsdauer der Lüfter mit Kugellager diejenige der Lüfter mit einfachem Gleitlager durchschnittlich um 50 %. Im Allgemeinen unterscheidet sich die Nutzungsdauer eines Lüfters mit einfachem Gleitlager allerdings nicht wesentlich von derjenigen eines Lüfters mit Kugellager, wenn diese bei Raumtemperatur betrieben werden. Herkömmlicherweise boten Kugellager in Lüftermotoren unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen eine höhere Nutzungsdauer als einfache Gleitlager. Die neuesten technischen Verbesserungen an gesinterten Gleitlagern haben jedoch zu Verlässlichkeitswerten geführt, die denen von Kugellagern in nichts mehr nachstehen, und das bei deutlich niedrigeren Kosten. Elektromagnetische Interferenzen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Eine weitere Variable bei der Lüfterauswahl ist die elektromagnetische Interferenz (EMI) sowie die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die elektromagnetische Interferenz wird als elektrische Belastung definiert, die den normalen Betrieb eines Gerätes stören kann. Es gibt zwei wesentliche Bereiche, in denen elektromagnetische Interferenzen auftreten können: die Leitungsinterferenz und die Fremdeinstrahlung.

Unter Leitungsinterferenz versteht man ein unerwünschtes Signal, das über Strom- und Signalleitungen geleitet wird. Unter Fremdeinstrahlung versteht man unerwünschte Signale, die von einer Quelle einstrahlen und die den normalen Betrieb eines Gerätes beeinträchtigen können. Die elektromagnetische Leitungsinterferenz ist normalerweise problematischer als die elektromagnetische Fremdeinstrahlung. Bei bürstenlosen Gleichstromlüftern ist die elektromagnetische Leitungsinterferenz normalerweise das einzige Problem.

Mit Wechselstrom betriebene Induktionsmotoren mit Sinuswellenspannungen sind normalerweise nicht für elektromagnetische Interferenzen anfällig. Allerdings kann es in Motornähe und bei dessen Eingangskabeln zu geringen magnetischen Interferenzen kommen. Gleichstrommotoren, die entweder mechanisch oder elektronisch kommutiert sind, und von elektronischen Steuergeräten betriebene Wechselstrommotoren tragen eine EMI-Kennzeichnung. Die elektromagnetischen Interferenzen werden beim Umschalten der Gleichstromspannung erzeugt. Dies ist für die Erzeugung der Drehung der Magnetfelder im Motor erforderlich.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) lässt sich am besten beschreiben als die Fähigkeit eines Gerätes, ohne Erzeugung unerwünschter elektromagnetischer Interferenzen, die den Betrieb anderer elektronischer Geräte beeinträchtigen können, betrieben zu werden, sowie als die Fähigkeit des Gerätes, nicht von unerwünschten Interferenzen beeinträchtigt zu werden, die durch Fremdquellen erzeugt werden.

Fazit: Die Lüfterauswahl ist ein sehr wichtiger Faktor bei Flüssig/Luft- und Luft/Flüssig-Kühlsystemen. Für die Berechnung der nötigen Lüfterleistung bei einer bestimmten Anwendung genügt es nicht, bloß die Luftströmung und den statischen Druck zu berechnen. Wie in den Teilen 1 und 2 dieses Artikels erörtert wurde, müssen einige andere sehr wichtige Faktoren vom Konstrukteur mitberücksichtigt werden, wenn dieser die Lüfterleistung errechnet, um ein zuverlässiges System zu konstruieren. Hierzu gehören die Auswirkungen der Luftdichte, das Lüftergeräusch, die Nutzungsdauer sowie elektromagnetische Interferenzen bzw. die elektromagnetische Verträglichkeit.