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选择换热器

要选择正确的换热器或油冷却器,必须首先确定应用所需的散热性能。使用下面给出的示例:

选择冷却液

第1步:应用数据

  • 液体类型:水
  • 所需热负荷(Q):3,300 W(11,263 BTU/小时)
  • 进液温度(Tliquid in):80°C(176°F)
  • 进气温度(Tair in):21°C(70°F)
  • 液体流速:2 gpm(7.6 LPM)

第2步:选择换热器产品系列

根据流体兼容性选择铝、铜或不锈钢换热器。铝管通常用于输送轻油或乙二醇和水溶液。铜通常用于输送水。不锈钢用于输送去离子水或腐蚀性流体。

第3步:计算初始温差

用进入换热器的进液温度减去进气温度。

ITD = Tliquid in - Tair in = 80°C - 21°C = 59°C或(176°F - 70°F = 106°F)

第4步:计算所需性能(Q/ITD)

用所需的热负荷(Q)除以上面在第3步中的ITD。

换热器性能计算

第5步:选择合适的换热器型号

请查看所选换热器的热性能图(参见6000系列铜换热器和OEM旋管、Aspen系列和4000系列不锈钢换热器以及ES系列铝换热器的性能图)。在7.5 LPM(2 gpm)下超过56 W/°C(使用标准风扇)的任何换热器都是可以接受的。如下图所示,换热器6210在60 Hz Marin风扇管线的交点处达到56 W/°C,因此可以满足所需性能。

6210换热器图表指标

第6步:确定液体压降

根据给定的数据,我们知道泵需要以2 gpm(7.5 LPM)的速度供水。利用6210曲线的液体侧压降图表,x轴上2 gpm(7.5 LPM)点的垂直线与6210曲线交点表明,通过6210的压降为8 psi(0.55 bar)。选择的泵必须克服该压降,才能确保流速达到2 gpm(7.5 LPM)。

换热器液体侧图
换热器空气侧图

第7步:确定空气压降

热性能图表上的垂直线表示我们的标准风扇在60 Hz下提供的空气流速(Marin风扇空气流速为190 CFM)。此空气流速与空气侧压降上的6210图的交点表明,通过6210的空气侧压降为0.24 英寸水柱(55帕斯卡)。

冷却空气特性

在机柜冷却应用中,空气比液体热。在这种情况下,ITD是进入换热器的热空气与进入换热器的冷却液体之间的温差。您可能需要使用热负荷和进入机柜的冷空气的温度来计算温升。

示例:机柜冷却应用

您正在冷却包含会产生2400 W热量的电子元件的机柜。机柜中的空气不得超过55°C。应该选择哪种换热器,进入电子机柜的冷空气的温度是多少?

第1步:应用数据

液体类型:水

所需热负荷(Q):2,400 W(8,189 BTU/小时)

进液温度(Tliquid in):20°C(68°F)

机柜中的最高空气温度(Tair in):55°C(131°F)- 这是进入换热器的热空气的温度
液体流速:2 gpm(7.6 LPM)

第2步:计算初始温差

用进入换热器的进气温度减去进液温度。

ITD = Tair in - Tliquid in = 55°C - 20°C = 35°C (或131°F - 68°F = 63°F)

第3步:计算所需性能(Q/ITD)

用所需的热负荷(Q)除以上面在第2步中的ITD。

第4步:选择合适的换热器型号

请查看所选换热器的热性能图(参见6000系列和OEM旋管铜换热器、Aspen系列和4000系列不锈钢换热器以及ES系列铝换热器的性能图)。在2 gpm(7.6 lpm)下超过68.6 W/°C(使用标准风扇)的任何换热器都是可以接受的。采用水作为冷却液时,建议使用铜换热器。如下图所示,6310超出了所需的性能,使用我们的Ostro风扇时,提供的Q/ITD约为76 W/°C。

可以通过与前面的示例相同的方式确定液体和空气的压降。

Performance Capability Calculation of a Heat Exchanger 2
6310换热器图表指标

第5步:计算进入机柜的冷空气的温度

现在,要计算进入机柜的冷空气的温度,请使用空气的温度变化图。在2,400 W的热负荷和250 CFM的流速(推荐用于6310的标准Ostro风扇的流速)下,我们可以看到温度变化为17°C。这意味着进入机柜的冷空气将为:55°C - 17°C = 38°C

请注意:知道了热负荷和流速后,这些图表便可提供一种简单的图形方式来估算流体温度变化,无需进行计算。利用水、空气、50/50乙二醇/水和油的图形,您可以计算所有类型的换热器中空气和液体的温度变化。

温度变化图空气

第6步:计算出水温度

为了确定出水温度,我们使用“水流”图表确定温度变化约为5°C。因此,出水温度为20°C + 5°C = 25°C。

水流图表

备选尺寸计算公式

在给定流体流速和比热的情况下,可使用一般的导热公式来计算热负荷和流体温度变化。

可使用以下公式计算水和空气的ṁ:

技​​术图书馆的《热参考指南》中找到的温度变化图绘制了常见导热介质(空气、水、油和50% EGW混合物)的上述公式,如果您知道热负荷和流体流速,则可以通过一种简单的方式来查找ΔT。

了解和比较我们的换热器部分款式及其性能。

传热方程
水和空气计算

添加换热器时的风扇注意事项

将换热器集成到您的系统中

在设计液体冷却回路时,与风扇和热交换器配对以及将组件安装到系统中有若干注意事项。本应用笔记检查这些考虑因素,即使用气门、流量方向以及体积和质量流速如何影响风扇选择和集成。

全会

Heat Exchanger Fan Without Plenum Diagram
Heat Exchanger Fan With Plenum Diagram

气门使风扇与热交换器散热片距离,以确保空气分布在热交换器的整个面上。

如果风扇离热交换器太近,则热交换器的有效尺寸将减小到大约风扇的大小(图 1)。由于空气现在通过较小的区域,结果是空气侧压降较高,气流减少。较小的有效换热器区域和减少气流相结合,减少了传热。

当放置与热交换器的正确距离时(参见图 2),风扇将空气在整个热交换器的散热片区域移动。由于气流分布在较大区域,因此会导致较低的压降,因此空气流量更大,性能更好。

为了从热交换器获得最大性能,风扇、气门和热交换器之间的连接必须密封,以避免空气泄漏并确保所有空气流经热交换器。

Boyd 的大多数标准热交换器在最佳距离处具有一体式风扇板和增压室,以实现良好的空气流动。这将提高将热交换器集成到系统中时的性能。

风扇放置

多种条件(包括性能、风扇寿命和噪音)会影响风扇放置。

性能

如果对气流没有外部限制,风扇在给定电阻上移动相同数量的空气,无论它是推还是拉。这意味着,如果您只是将风扇连接到开放空间中的热交换器,则无论在热交换器上推或拉空气,性能差别都很小。如果风扇将空气推过热交换器,进入热交换器的空气可能会轻微温度升高,因此由于风扇产生的热量,性能会下降。在大多数情况下,这是微不足道的。

但是,如果空气路径受到约束,就像在机柜冷却应用中一样,一个方向的限制可能低于另一个方向,从而导致性能差异。需要逐案评估这种情况。

风扇生活

与所有电气设备一样,风扇的电机在暴露于较冷的温度时将持续更长时间。当风扇在 60°C 空气中操作时,与 20°C 相比,使用寿命可缩短 55%。如果要冷却液体,最好将冷空气推过热交换器,以便冷空气通过风扇的马达。相反,如果您正在冷却空气,如果风扇通过热交换器吸入空气,风扇的使用寿命和性能将会提高。

噪声

将风扇定向到离操作员最远的热交换器的一侧,将空气排出,从而提供最安静的操作。可能影响风扇噪音水平的其他因素包括总体气流、铲刀尺寸和设计以及风扇工作速度。更大、更慢的风扇比小型高速风扇更安静。

体积流量和质量流

冷却能力取决于质量流速。风扇提供恒定的体积流,而不是恒定的质量流。质量流量和体积流量与空气密度有关。登斯空气提供更高的质量流速,因此提供了更好的热交换器性能。

空气的密度由压力和温度决定。在 59°F 的温度和 14.7 psia 的压力下,空气的密度为 0.076 磅/英尺3。增加温度或降低压力会导致密度降低。在高温和高度下工作时,需要更多的体积流量来补偿这种较低的密度。

例如,我们配备马林风扇的 6210 个换热器的气流速率为 225 cfm。在 59°F 和 14.7 psa 压力下,这相当于 17.1 磅/分钟的质量流速。然而,在20,000英尺的海拔高度,质量流速小于此值的一半。图 3 显示了质量流速如何随海拔和温度而变化。

图 3:我们的 6210 台带 Marin 风扇的换热器在不同温度和海拔高度下的体积流量与质量流量的关系。

Volumetric flow rate vs mass flow rate

总结

通常,在系统中安装热交换器和风扇时,您应该:

  • 使用气室提供良好的空气分配,从而获得最佳性能
  • 考虑系统配置、噪音要求和风扇寿命,以决定是否通过热交换器推动或拉取空气。
  • 如果您在高温或高度下工作,请考虑空气密度,以确保所选风扇足够。

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