换热器风扇选择 - 第2部分


如何计算哪种风扇最适合您的应用

换热器是一种旨在将热量从一种物质有效传递或“交换”到另一种物质的设备。当使用流体传递热量时,流体可以是水或油等液体,也可以是气流。最广为人知的换热器类型是汽车散热器。在散热器中,水和乙二醇组成的溶液(也称为防冻液)将热量从发动机传递到散热器,然后从散热器传递到流经的环境空气。此过程有助于防止汽车发动机过热。同样,Aavid的换热器旨在消除飞机发动机、光学元件、X射线管、激光器、电源、军用设备以及许多其他类型的设备产生的多余热量,而风冷散热器无法提供这些设备所需的冷却能力。



在空气-液体或液体-空气冷却应用中,气流是需要考虑的最重要的参数之一。因此,选择正确的风扇与选择正确的换热器同样重要。在换热器风扇选择第1部分,我们计算了气流和系统阻抗要求,并讨论了选择因素,例如交流或直流电源、恒定或可变流量以及风扇或鼓风机的选择。本文第2部分将讨论其他重要的换热器风扇选择因素,例如空气密度影响、噪音、预期寿命和EMI/EMC干扰。




空气密度影响

如本文第1部分所述,决定冷却能力的是空气质量,而不是体积。这是因为每个空气分子都有质量,这种质量具有吸收或传递热量的能力。给定体积中的空气分子越多,质量吸收或传递的热量就越多。但是,给定体积的空气质量会随海拔和温度而变化。当我们探讨气流时,密度的定义更适合以时间的函数来表示,公式如下:



其中:



无论空气密度如何,风扇都会提供恒定体积的气流。换言之,无论空气温度是位于海平面高度的70°F还是海拔10,000英尺高度的250°F,风扇都将提供300 CFM的气流。

为了说明这一点,我们来看一个例子。假设风扇提供的干燥空气的体积流率为300 CFM,那么在海平面70°F、海平面250°F和10,000英尺250°F条件下的空气质量流率分别是多少?

表1:不同温度和海拔下空气密度与质量流率的比较

条件

密度 (lbs/ft3)

质量流率 (lbs/小时)

海平面,70°F

0.075

1350

海平面,250°F

0.056

1008

10,000英尺,250°F

0.038

684



从表1中可以看出,通过使用上面的公式(1),海平面70°F的干燥空气的重量比海平面250°F的干燥空气高34%,比海拔10,000英尺250°F的干燥空气高97%。因此,系统将需要402 CFM(1.34 x 300 CFM)的海平面250°F干燥空气,方能提供与海平面70°F干燥空气相同的冷却能力。系统将需要591 CFM(1.97 x 300 CFM)的海拔10,000英尺250°F干燥空气,方能提供与海平面70°F干燥空气相同的冷却能力。注意,本分析中假定流入的热液体温度与冷却空气温度之间的温差相同。

尽管湿度对风扇的尺寸影响可忽略不计,但是当风扇在气流下游以虹吸模式使用时,湿度会对换热器的性能产生影响。当潮湿的热空气凝结时,水滴会积聚在换热器翅片上,从而导致性能下降和潜在腐蚀。冷凝还可能导致风扇短路。




噪声

选择风扇时要考虑的另一个重要因素是噪声。噪声对风扇性能没有直接影响,但是,出于两个重要原因,选择风扇时需要考虑噪声。首先,噪声会影响工作效率,或者在某些极端情况下,会导致长期听力障碍。OSHA(美国职业安全与健康管理局)的《职业噪声暴露 - 1910.95》等标准限制在没有听力保护的情况下暴露于各种声级,以免发生听力损失。

其次,噪声会对系统的运行和整体可靠性产生重大影响。噪声会影响某些电子设备的功能,这些电子设备可能会充当减振器并因振动而产生疲劳。另外,某些操作环境(如实验室)中存在对噪声敏感的仪器。

风扇设计可以最大程度地减少因与风扇叶片表面及尾缘的空气分离而产生的宽带噪声。适当的俯仰角和凹口或锯齿状叶片尾缘可将噪声降至最低。我们的高性能双宽双进口(DWDI)风机经过专门设计,可减轻噪声并降低噪声水平,从而改善用户体验并减少敏感设备的环境振动。




预期寿命

风扇的预期寿命是指风扇可以连续运行而不出现明显的转速损失或过多噪声导致无法再使用的时间。风扇通常必须具备较长的无故障运行时间才能确保系统的高可靠性。轴承故障会导致大多数风扇故障。但是,与承受极大载荷的电机或齿轮头轴承不同,用于冷却风扇的轴承通常载荷极小。因此,风扇寿命可由轴承中润滑剂的劣化来确定。与用于驱动重型机械的电机相比,风扇的运行转矩和启动转矩都较低,因此,如果润滑剂劣化,风扇将无法正常旋转。如果发生这种情况,启动电压将升高,风扇可能无法启动。润滑剂劣化还会导致轴承产生的风扇噪声增加。

确定风扇寿命最常用的两种方法是更常使用的L10寿命方法和MTBF(平均故障间隔时间)方法。两者之间的区别在于,L10寿命特指一组风扇中10%发生故障所需的时间,而风扇的MTBF约为50%风扇发生故障时的时间。在-40°C至50°C、75% RH的正常运行条件下,风扇L10寿命通常为60,000-70,000小时。相同条件下,MTBF寿命通常为200,000-300,000小时。

在延长预期寿命方面,高质量的滚珠轴承风扇被认为是最可靠的。使用L10方法比较套筒轴承风扇和滚珠轴承风扇在25°C-60°C温度下的预期寿命时发现,滚珠轴承风扇的使用寿命比套筒轴承风扇平均长50%。通常,当温度接近环境温度时,套筒轴承风扇和滚珠轴承风扇的寿命差别不大。传统上,在高温环境条件下,滚珠轴承的使用寿命比风扇电机中的套筒轴承更长。流体润滑轴承(FLB)的最新技术改进(例如我们的标准轴流式风扇和烧结套筒轴承中使用的技术)已使可靠性系数至少达到滚珠轴承的水平,但成本却显著降低。




EMI和EMC干扰

选择风扇时的另一个考虑因素是EMI(电磁干扰)和EMC(电磁兼容性)。顾名思义,EMI是任何可能干扰设备正常运行的电气干扰。EMI干扰主要包括两大类:传导干扰和辐射干扰。

传导干扰是指通过电源线和信号线传导的任何无用信号。辐射干扰是指从来源辐射并可能影响设备正常运行的任何无用信号。传导EMI通常比辐射EMI更难处理。实际上,在处理无刷直流风扇时,传导EMI通常是唯一需要考虑的问题。

通常,运行正弦波电压的交流感应电机不会引起EMI问题。但是,电机及其输入导线附近可能存在微小的电磁干扰。机械换向或电子换向的直流电机以及由电子控制器供电的交流电机具有EMI信号。电磁干扰是由直流电压的开关产生的,而这种开关是电机中产生旋转磁场所必需的。

对EMC(电磁兼容性)最恰当的描述为设备在不产生会影响其他电子设备运行的有害电磁干扰的情况下运行的能力,以及不受其他位置产生的有害干扰的负面影响的能力。

总而言之,风扇的选择是液体-空气和空气-液体冷却应用中极为重要的一环。为应用选择合适的风扇规格,仅仅计算气流和静压并不足够。正如本文第1部分和第2部分所讨论的那样,设计人员在确定风扇规格以提供可靠的系统时,还要考虑其他一些极为重要的因素。这些因素包括空气密度影响、噪声、预期寿命和EMI/EMC干扰。


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