Panoramica sulle ventole per scambiatori di calore - 2ª parte


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Considerazioni per selezionare la ventola adatta alle tue esigenze

Uno scambiatore di calore è un dispositivo progettato per trasferire o "scambiare" il calore da un materiale ad un altro in maniera efficiente. Se si utilizza un fluido per trasferire il calore, questo può essere un liquido, come l'acqua o l'olio, oppure l'aria in movimento. Il tipo più noto di scambiatore di calore è il radiatore dell'auto. In un radiatore, una soluzione a base di acqua e glicol etilenico, comunemente chiamato antigelo, trasferisce il calore dal motore al radiatore e, successivamente, dal radiatore all'aria che lo attraversa, impedendo al motore di surriscaldarsi. Allo stesso modo, gli scambiatori di calore Aavid sono progettati per raffreddare i motori degli aerei, i meccanismi ottici, i tubi radiogeni, i laser, gli alimentatori, le attrezzature militari e molti altri tipi di apparecchiature che richiedono un sistema di raffreddamento più potente di quello che è possibile ottenere con i dissipatori di calore ad aria.



Nei sistemi di raffreddamento aria-liquido o liquido-aria, uno dei parametri più importanti da considerare è il flusso d'aria. La selezione della ventola, pertanto, è importante quanto la scelta dello scambiatore di calore più adeguato. Nell'articolo "Panoramica sulle ventole per scambiatori di calore - 1ª parte", abbiamo calcolato i requisiti del flusso d'aria e di impedenza del sistema, e abbiamo discusso i vari fattori che entrano in gioco nel decidere tra un alimentatore CA o CC, tra un flusso d'aria variabile o uno costante e tra un ventilatore o un soffiatore. In questa 2ª parte dell'articolo tratteremo gli altri fattori da tenere presenti nella scelta della ventola per uno scambiatore di calore, come gli effetti della densità dell'aria, il rumore, la vita utile e le interferenze EMI (Electro-Magnetic Interference)/la compatibilità EMC (Electro-Magnetic Compatibility).




Effetti della densità dell'aria

Come abbiamo menzionato nella 1ª parte di questo articolo, non è il volume, bensì la massa d'aria che determina la capacità di raffreddamento. Ogni molecola d'aria ha infatti una massa che ha la capacità di assorbire e trasferire il calore. Quante più molecole sono presenti in un certo volume, maggiore è la quantità di calore che la massa d'aria è capace di assorbire e trasferire. La massa dell'aria in un dato volume non è però costante, ma varia a seconda dell'altitudine e della temperatura. Quando si parla di flusso d'aria, è preferibile esprimere la densità in funzione del tempo, come nella seguente equazione:



Dove:



Il volume del flusso d'aria generato dalla ventola è constante e non dipende dalla densità dell'aria. In altre parole, una ventola ha una portata di 300 CFM sia a una temperatura di 70°F al livello del mare, che a una temperatura di 250°F a un'altitudine di 10 ft.

Per illustrare meglio il concetto, prendiamo in considerazione questo esempio: considerando una ventola con portata volumetrica di 300 CFM di aria secca, qual è la portata della stessa ventola a una temperatura di 70°F al livello del mare, a una temperatura di 250°F al livello del mare e a una temperatura di 250°F a un'altitudine di 10 ft?

Tabella 1: confronto tra densità dell'aria e portata volumetrica a diverse temperature e altitudini

Condizioni

Densità (lb/ft3)

Portata massica (lb/h)

Livello del mare, 70°F

0,07

1350

Livello del mare, 250°F

0,06

1008

10 ft, 250°F

0,04

684



Dalla tabella 1, utilizzando l'equazione (1) di cui sopra, si deduce che l'aria secca a una temperatura di 70°F a livello del mare ha un peso del 34% superiore a quello dell'aria secca a una temperatura di 250°F al livello del mare e del 97% superiore a quello dell'aria secca a una temperatura di 250°F a un'altitudine di 10 ft. Ne risulta che il sistema richiede 402 CFM (1,34 x 300 CFM) di aria secca a una temperatura di 250°F al livello del mare per fornire la stessa capacità di raffreddamento di un sistema con aria secca a 70°F al livello del mare. A un'altitudine di 10 ft, il sistema richiede invece 591 CFM (1,97 x 300 CFM) di aria secca a 250°F per fornire la stessa capacità di raffreddamento di un sistema con aria secca a 70°F al livello del mare. Si tenga presente che ai fini di questa analisi abbiamo considerato costante la differenza tra la temperatura del liquido caldo in ingresso e la temperatura dell'aria di raffreddamento.

Sebbene rispetto alla dimensione della ventola sia un fattore trascurabile, l'effetto dell'umidità può avere invece un impatto rilevante sulle prestazioni dello scambiatore di calore qualora la ventola sia utilizzata in aspirazione a valle del flusso d'aria. Quando l'aria calda e umida si condensa, le gocce possono accumularsi sulle alette dello scambiatore di calore, causando una diminuzione delle prestazioni e, potenzialmente, corrosione. La condensa è anche una possibile causa del cortocircuito della ventola.




Rumore

Un altro fattore importante che condiziona la scelta della ventola è il rumore. Il rumore non influisce direttamente sulle prestazioni della ventola, ma ci sono due ragioni fondamentali per cui è opportuno prenderlo in considerazione. In primo luogo, il rumore può influire sull'efficienza dei lavoratori e, in casi estremi, causare addirittura problemi di udito. Alcuni standard, come il Codice federale 1.910,95 sull'Esposizione al rumore nei luoghi di lavoro (Occupational Noise Exposure) dell'Agenzia per la sicurezza e la salute sul lavoro (OSHA, Occupational Safety and Health Administration) degli Stati Uniti, regola i tempi di esposizione a varie intensità di rumore senza l'utilizzo di protezioni per evitare danni all'udito.

In secondo luogo, il rumore può influire in maniera negativa sull'operatività e sull'affidabilità complessiva del sistema. Alcuni dispositivi elettronici che hanno la funzione di assorbire le vibrazioni possono ricevere un ulteriore carico in caso di vibrazioni causate dal rumore. Inoltre, ci sono degli ambienti, come i laboratori, che utilizzano apparecchiature sensibili al rumore.

La struttura della ventola può contribuire a ridurre i rumori ad ampio spettro prodotti dal processo di separazione dell'aria sulla superficie e sul bordo di uscita delle pale. Per minimizzare il rumore è possibile agire sull'angolo di inclinazione delle pale e implementare bordi di uscita seghettati o dentellati. I nostri soffiatori ad elevate prestazioni a doppia larghezza e doppia aspirazione (DWDI, Double Width Double Inlet) sono progettate appositamente per mitigare gli effetti acustici e ridurre il livello di rumore, in modo da consentire una migliore usabilità e limitare le vibrazioni ambientali per i dispositivi più sensibili.




Vita utile

La vita utile può essere definita come il periodo di funzionamento ininterrotto di una ventola senza diminuzione significativa della velocità di rotazione o senza che il livello di rumore diventi tale da impedirne l'utilizzo. Per assicurare un'elevata affidabilità del sistema, le ventole devono generalmente offrire un ciclo di vita lungo e senza avarie. I cuscinetti sono la causa principale di guasto in una ventola; tuttavia, al contrario di quanto succede con i cuscinetti dei motori e dei riduttori che sono soggetti a carichi notevoli, il carico dei cuscinetti utilizzati nelle ventole di raffreddamento è di solito trascurabile. La vita utile di una ventola dipende pertanto dal deterioramento del lubrificante dei cuscinetti. Essendo caratterizzate da coppie di spunto e di lavoro più basse rispetto ai motori utilizzati per il movimento di macchinari pesanti, le ventole non possono ruotare correttamente se il lubrificante si deteriora. In tal caso, la corrente di spunto aumenta e la ventola può non entrare in funzione. Il deterioramento del lubrificante causa anche l'aumento del rumore generato dai cuscinetti della ventola.

I due metodi più utilizzati per determinare la vita utile di una ventola sono il metodo L10 e il metodo MTBF (Mean Time Between Failure, tempo medio tra due guasti successivi). La differenza tra i due metodi è che il metodo L10 si riferisce specificamente al tempo trascorso prima che il 10% di un gruppo di ventole mostri avarie, mentre il metodo MTBF è approssimativamente il periodo di tempo in cui si raggiunge il guasto del 50% delle ventole. La vita utile L10 di una ventola si aggira sulle 60-70 ore in condizioni normali di funzionamento a temperature tra i -40°C e i 50°C e con un'umidità relativa del 75%. La vita utile MTBF, sotto le stesse condizioni, si aggira tipicamente sulle 200-300 ore.

Le ventole considerate più affidabili in termini di vita utile sono quelle di alta qualità con cuscinetti a sfera. Quando si utilizza il metodo L10 per comparare la vita utile di ventole con cuscinetti a sfera e a bronzine a temperature comprese tra i 25-60°C, le ventole con cuscinetti a sfera durano in media il 50% più a lungo di quelle con cuscinetti a bronzine. In generale, quando la temperatura si avvicina a quella ambiente, la differenza tra ventole con cuscinetti a sfera e quelle con cuscinetti a bronzine è trascurabile. In passato, a temperature elevate, i cuscinetti a sfera garantivano ai motori delle ventole una vita utile maggiore rispetto a quelli a bronzine. Tuttavia, le recenti innovazioni tecniche nei cuscinetti con lubrificazione a fluido (FLB, fluid lubricant bearings), come quelli utilizzati nelle nostre ventole assiali standard, hanno permesso di ottenere un'affidabilità almeno pari a quella dei cuscinetti a sfera a un costo nettamente inferiore.




Interferenze EMI e compatibilità EMC

Un'altra variabile da tenere presente nella scelta di una ventola è legata alle interferenze elettromagnetiche (EMI, Electromagnetic Interference) e alla compatibilità elettromagnetica (EMC, Electromagnetic Compatibility). Per definizione, le interferenze EMI consistono in qualsiasi fenomeno elettrico che interferisca con il normale funzionamento di un apparecchio. Si possono suddividere in di due tipologie principali: i disturbi condotti e i disturbi radiati.

I disturbi condotti comprendono qualsiasi tipo di segnale indesiderato che si propaga attraverso le linee elettriche o di trasmissione. I disturbi radiati comprendono invece qualsiasi tipo di segnale irradiato da una sorgente che alteri il normale funzionamento di un apparecchio. I disturbi condotti pongono generalmente maggiori problemi dei disturbi radiati. Di fatto, nel caso di ventole a corrente continua senza spazzole, i disturbi condotti sono in genere l'unico problema da tenere in considerazione.

Solitamente, i motori a induzione a corrente alternata a regime sinusoidale non presentano problemi di interferenze elettromagnetiche. Si possono presentare, tuttavia, leggere interferenze magnetiche vicino al motore e ai connettori di ingresso. I motori a corrente continua, sia quelli commutati meccanicamente che quelli commutati elettronicamente, e i motori a corrente alternata con controller elettronici sono soggetti a interferenze elettromagnetiche. L'interferenza è generata dalla commutazione della corrente continua, necessaria per produrre la rotazione dei campi magnetici all'interno del motore.

La compatibilità EMC può essere definita come la capacità di un apparecchio di operare senza generare interferenze elettromagnetiche indesiderate che possano condizionare il corretto funzionamento di altri apparecchi elettronici e, allo stesso tempo, la capacità di tale apparecchio di funzionare correttamente senza risentire negativamente dell'impatto di interferenze generate altrove.

Riassumendo, la scelta della ventola è fondamentale nei sistemi di raffreddamento liquido-aria e aria-liquido. I calcoli del flusso d'aria e della pressione statica non sono sufficienti a stabilire la dimensione adeguata della ventola per una data applicazione. Come si è visto nella 1ª prima e nella 2ª parte di questo articolo, ci sono altri importanti fattori da tenere presenti nel dimensionare una ventola per creare un sistema affidabile. Questi fattori includono la densità dell'aria, il rumore, la vita utile e la compatibilità EMI/le interferenze EMC.