Panoramica sulle ventole per scambiatori di calore


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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.



Uno dei parametri più importanti nelle applicazioni di raffreddamento aria-liquido è il flusso d'aria. Per calcolare il flusso d'aria necessario per raffreddare un processo, è importante conoscere la quantità di calore da dissipare e la variazione della temperatura dell'aria. Tuttavia, il solo flusso d'aria non è sufficiente per poter scegliere una ventola. È necessario anche calcolare l'impedenza del sistema lungo il percorso dell'aria. Il flusso d'aria e l'impedenza del sistema definiscono il punto di funzionamento della ventola che serve per raffreddare un processo. Vi sono comunque altre considerazioni da fare quando si sceglie la ventola per uno scambiatore di calore, quali la ventola rispetto ai soffiatori, flusso costante o variabile, potenza CA o CC.




Requisiti in termini di flusso d'aria

Il primo passo nella scelta di una ventola per uno scambiatore di calore è l'approssimazione del flusso d'aria necessario per dissipare il calore generato nel processo. L'equazione di base per stimare il flusso d'aria richiesto è:



Questa è conosciuta come l'equazione della capacità termica. Inserendo i fattori di conversione e il calore specifico e la densità dell'aria alle condizioni STP (Standard Temperature and Pressure), l'equazione (1) è semplificata come segue:



Dove:



Per equazione (2), le unità per la portata volumetrica sono i piedi cubi al minuto (CFM), le unità per la quantità di calore trasferito sono i Watt, e le unità per la variazione della temperatura sono i gradi Fahrenheit. Ad esempio, per eliminare 145 W di calore da un piccolo armadio elettronico per raffreddare l'aria da 90°F (32°C) a 73°F (23°C), procedere come segue:



Questo è il flusso d'aria necessario per dissipare il calore generato all'interno dell'armadio in condizioni di STP. È importante sottolineare che è la massa d'aria a determinare la capacità di raffreddamento e non il suo volume.




Come determinare l'impedenza del sistema

Una volta stimato il flusso d'aria, è necessario calcolare o misurare l'impedenza del sistema o la "resistenza del flusso d'aria". L'impedenza del sistema è espressa in pressione statica in funzione del flusso d'aria. Una tipica curva di impedenza del sistema è regolata dall'equazione (4):



Dove:



Questa equazione descrive la relazione tra la pressione statica e il flusso d'aria richiesto in un particolare sistema.

Tornando all'esempio precedente, con l'equazione 4 calcoliamo che la pressione statica nell'armadio deve essere 0,11 pollici di acqua. In questa applicazione, sono presenti fino a 1 gpm di acqua nell'impianto disponibili a 52°F (11°C). Dobbiamo scegliere una ventola che possa fornire almeno 27 CFM di flusso d'aria a 0,11 pollici di acqua ed uno scambiatore di calore dotato delle seguenti prestazioni quando si usa acqua a 1 gpm o meno:



ITD è la differenza di temperatura iniziale tra l'aria calda in entrata e l'acqua fredda.

Come indicato nella Fig. 1, 6105 lo scambiatore di calore a tubo di rame garantisce 6,9 W/°C in abbinamento con una ventola che fornisca almeno 27 CFM ed un flusso di acqua superiore a 0,25 gpm. Se si sceglie una ventola Oriental Motor modello MU1225S come mostrato in Fig. 2, le righe rosa verticale ed orizzontale mostrano che con 0,11 pollici di acqua richiesti la ventola fornirà 39 CFM, vale a dire molto al di sopra dei 27 CFM necessari. È tuttavia importante notare che gli accessori della ventola, come le protezioni per le dita e i filtri, possono avere un impatto sulle prestazioni della ventola stessa, come dimostra la differenza tra i flussi d'aria nei punti A, B e C della Fig. 2. In un sistema ad alta impedenza come quello del nostro esempio, l'effetto sulle prestazioni della ventola è minimo. Con un sistema a bassa impedenza, però, l'impatto sulle prestazioni della ventola può essere maggiore. Se il nostro armadio avesse un percorso del flusso d'aria libero, l'impedenza del sistema sarebbe relativamente bassa e gli accessori avrebbero un impatto significativo sulle prestazioni della ventola, come dimostrano le differenze del flusso dell'aria tra i punti D, E e F della Fig. 1. Qualsiasi calo significativo del flusso d'aria rispetto alla quantità richiesta avrà un impatto sulle prestazioni dello scambiatore di calore.





Oltre al flusso d'aria e all'impedenza del sistema, nella scelta di una ventola devono essere considerati altri fattori importanti come il tipo di ventola, i flussi costanti o variabili, la potenza CA o CC, la densità dell'aria, il rumore, l'aspettativa di vita del prodotto, l'interferenza EMI/RFI e altro ancora. La sezione 2 si occupa delle considerazioni sulla densità dell'aria, il rumore udibile, l'aspettativa di vita del prodotto e l'interferenza EMI/RFI.




Ventola assiale o soffiatore

Dopo aver identificato l'impedenza del sistema e il flusso d'aria complessivo richiesto, la considerazione successiva è generalmente il tipo di ventola da utilizzare. I tipi di ventola più diffusi sono le ventole assiali e i soffiatori. Una ventola assiale sposta l'aria in una direzione parallela alla direzione dell'asse delle pale della ventola. Funziona bene in condizioni di bassa pressione statica ed è preferibile quando è richiesta una bassa rumorosità. I soffiatori sono di tipo centrifugo, con l'aria che si muove perpendicolarmente all'asse di rotazione. Sono adatti per applicazioni ad alta pressione, come le telecomunicazioni e i server di fascia alta, e funzionano alla massima efficienza vicino al loro picco di pressione statica.




Flusso variabile o costante

Le ventole sono spesso sovradimensionate perché i calcoli delle dimensioni si basano sugli scenari peggiori. Ad esempio, una ventola può essere dimensionata in base alla massima dissipazione di calore richiesta o in base ad una temperatura ambiente estremamente elevata. In questo caso le prestazioni supplementari fornite da una ventola sovradimensionata possono essere necessarie solo in situazioni estreme. Per molte fasi operative sarebbe sufficiente una portata d'aria notevolmente inferiore. Ad esempio, utilizzando un flusso d'aria inferiore per temperature ambiente più basse o quando gli apparecchi vengono fatti funzionare solo con un carico parziale. Le ventole "intelligenti" sono una soluzione efficace per le applicazioni in cui è necessario un adattamento alle condizioni correnti. Con questo tipo di comando della ventola in funzione della temperatura, la velocità diminuisce quando il carico termico è basso. Di conseguenza, il rumore emesso e il fabbisogno di energia diminuiscono.




Ventole CA o CC.

È possibile che la potenza disponibile del sistema possa indicare il tipo di ventola necessario. Se la tua applicazione è flessibile in termini di potenza, è consigliabile valutare i vantaggi di una ventola CC rispetto a quella CA. Una ventola CC fornisce un flusso variabile mentre una CA fornisce un flusso costante. In passato, le ventole a corrente continua erano molto più costose rispetto a quelle a corrente alternata. Oggi la differenza di prezzo è quasi inesistente e si possono prendere decisioni basate maggiormente su prestazioni e funzionalità. Anche se le ventole a CA sono ancora oggi ampiamente utilizzate, quelle a CC vantano una maggiore durata, circa 60% in meno di consumo energetico, e livelli più bassi di EMI (Electro Magnetic Interference) e RFI (Radio Frequency Interference).

Quando si sceglie la ventola per uno scambiatore di calore, è importante considerare non solo i requisiti di raffreddamento e l'impedenza del sistema, ma anche il tipo di ventola, il flusso costante o variabile e il funzionamento in corrente alternata (CA) o continua (CC). La sezione 2 di questo articolo tratterà ulteriori considerazioni sulle ventole, come l'aspettativa di vita del prodotto, la densità dell'aria, il rumore e l'interferenza EMI/RFI.