Cómo calcular cuál es el ventilador adecuado para su aplicación
El tipo de intercambiador de calor más conocido es el radiador de auto. En un radiador, una solución de agua y etilenglicol, también conocida como anticongelante, transfiere el calor del motor al radiador y luego del radiador al aire del entorno, fluyendo a través de este. Este proceso evita que el motor del auto se sobrecaliente. Similarly, Boyd's heat exchangers are designed to remove excess heat from aircraft engines, optics, x-ray tubes, lasers, power supplies, military equipment, and many other types of equipment that require cooling beyond what air-cooled heat sinks can provide.
Uno de los parámetros más importantes en las aplicaciones de refrigeración aire a líquido es el flujo de aire. Para calcular el flujo de aire que se requiere para refrigerar un proceso, se debe saber la cantidad de calor que se debe disipar y el cambio en la temperatura del aire. No obstante, solo con el flujo de aire no se puede seleccionar un ventilador. También se debe calcular la impedancia del sistema junto con la trayectoria del aire. El flujo de aire y la impedancia del sistema definen el punto de operación del ventilador que se necesita para refrigerar un proceso. Cuando se selecciona un ventilador para un intercambiador de calor, otros aspectos a tener en cuenta incluyen el uso de ventiladores o de sopladores, flujo constante o variable y alimentación de CA o CC.
Cómo establecer los requisitos del flujo de aire
Este es el flujo de aire necesario para disipar el calor generado dentro del gabinete en condiciones de TPE. Cabe destacar que la masa de aire, no su volumen, determina la capacidad de refrigeración.
Cómo determinar la impedancia del sistema
Esta ecuación describe la relación entre la presión estática y el flujo de aire que se requiere para un sistema en particular.
Volviendo al ejemplo anterior, al usar la ecuación 4, calculamos que la presión estática a través del gabinete es de 0.11 pulgadas de agua. En esta aplicación, hay hasta 1 gpm de agua auxiliar disponible a 52 °F (11 °C). Necesitamos seleccionar un ventilador que pueda suministrar al menos 27 CFM de flujo de aire a 0.11 pulgadas de agua y un intercambiador de calor que tenga el siguiente rendimiento cuando se use agua a 1 gpm o menos:
ITD es la diferencia de temperatura inicial entre el aire caliente entrante y el agua fría.
Como lo indica la Figura 1 debajo, el intercambiador de calor de tubos y aletas de cobre 6105 proporcionará 6.9 W/°C cuando se lo combine con un ventilador que pueda suministrar al menos 27 CFM y el flujo de agua sea mayor que 0.25 gpm. Si seleccionamos un ventilador Oriental Motor modelo MU1225S, como se muestra en la Figura 2, las líneas vertical y horizontal rosadas muestran que a las 0.11 pulgadas de agua, este ventilador suministrará 39 CFM, lo que supera nuestro requisito de 27 CFM. Cabe destacar, sin embargo, que los accesorios para ventilador, como los protectores de dedos y los filtros pueden afectar el rendimiento del ventilador, tal y como lo muestra la diferencia entre los flujos de aire en los puntos A, B y C en la Figura 2. En un sistema de impedancia alta, como en nuestro ejemplo, el efecto en el rendimiento del ventilador es mínimo. Pero con un sistema de impedancia baja, el impacto en el rendimiento del ventilador puede ser mayor. Si nuestro gabinete tuviera una trayectoria de flujo de aire libre, la impedancia del sistema sería relativamente baja y los accesorios tendrían un impacto significativo en el rendimiento del ventilador, tal y como se muestra en las diferencias de flujo de aire entre los puntos D, E y F en la Figura 1. Cualquier pérdida importante de la cantidad requerida de flujo de aire afectará el rendimiento del intercambiador de calor.
Además del flujo de aire y la impedancia del sistema, hay otros factores importantes a tener en cuenta al momento de seleccionar un ventilador, como el tipo de ventilador, flujos constantes o variables, alimentación de CA o CC, densidad del aire, ruido, expectativa de duración, interferencia EMI/RFI y más.
Ventilador axial o soplador
Después de identificar la impedancia del sistema y el flujo de aire general requerido, lo siguiente a tener en cuenta es qué tipo de ventilador usar. Los tipos de ventiladores que más se suelen usar son los ventiladores axiales y los sopladores. Un ventilador axial mueve el aire en una dirección paralela a la dirección del eje del aspa del ventilador. Funcionan bien en condiciones de presión de baja estática y se los prefiere cuando el nivel de ruido bajo es un requisito. Los sopladores tienen un diseño centrífugo y el aire se mueve de manera perpendicular al eje de rotación. Son aptos para aplicaciones de alta presión, como las telecomunicaciones y los servidores de alto rendimiento, y funcionan con una máxima eficiencia cuando alcanzan valores cercanos a su presión estática máxima.
Flujo constante o variable
Los ventiladores suelen tener un gran tamaño porque los cálculos de tamaño se basan en el peor de los casos. Por ejemplo, el tamaño de un ventilador se puede basar en la disipación de calor máxima requerida o en una temperatura ambiente extremadamente alta. En este caso, el rendimiento adicional que proporciona un ventilador de gran tamaño solo sería necesario en situaciones extremas. En diversas fases de operación, sería suficiente con solo una velocidad de flujo de aire más baja. Por ejemplo, cuando se usa un flujo de aire más bajo para temperaturas ambiente más bajas o cuando los dispositivos solo se operan con una carga parcial. Los ventiladores "inteligentes" son una solución efectiva para aplicaciones donde se necesita la adaptación a condiciones cambiantes. Con este tipo de control de ventilador dependiente de la temperatura, la velocidad disminuye cuando la carga térmica es baja. Por consiguiente, disminuyen los requisitos de emisión de ruidos y potencia.
Ventiladores de CA o de CC
Es probable que la potencia disponible de su sistema determine el tipo de ventilador. Si su aplicación es de potencia flexible, debería comparar las ventajas de un ventilador de CC en comparación con uno de CA. Un ventilador de CC proporciona un flujo variable, mientras que un ventilador de CA brinda un flujo constante. En el pasado, los ventiladores de CC eran muchísimo más caros que los ventiladores de CA. En la actualidad, la diferencia de precio es prácticamente nula y uno puede decidirse más bien por el rendimiento y la funcionalidad. Si bien hoy en día los ventiladores de CA se siguen usando mucho, los ventiladores de CC tienen una mayor duración, un consumo de energía de un 60 % menos aproximadamente y niveles más bajos de EMI (interferencia electromagnética) y RFI (interferencia de radiofrecuencia).
Al momento de elegir un ventilador para un intercambiador de calor, es importante buscar no solo los requisitos de refrigeración y la impedancia del sistema, sino también el tipo de ventilador, el flujo constante o variable y la operación con alimentación de CA o CC. Further down in this post additional fan considerations such as life expectancy, air density, noise, and EMI/RFI interference will be discussed.
How to Calculate Which Fan is Right Continued…
En aplicaciones de refrigeración aire a líquido o líquido a aire, el flujo de aire es uno de los parámetros más importantes a tener en cuenta. Por lo tanto, seleccionar el ventilador correcto es tan importante como seleccionar el mejor intercambiador de calor. We calculated airflow and system impedance requirements and discussed selection factors such as AC or DC power, constant or variable flow, and the choice of a fan or blower. This article will discuss other important heat exchanger fan selection factors such as air density effects, noise, life expectancy, and EMI/EMC interference.
Efectos de la densidad del aire
| Condición | Density (lbs/ft3) | Caudal de masa (lb/h) |
|---|---|---|
| Nivel del mar, 70 °F | 0.075 | 1350 |
| Nivel del mar, 250 °F | 0.056 | 1008 |
| 10,000 ft, 250 °F | 0.038 | 684 |
Ruido
El ruido es otro factor importante al momento de seleccionar un ventilador. El ruido no tiene un efecto directo sobre el rendimiento del ventilador, pero se debe tener en cuenta al seleccionar uno por dos motivos importantes. En primer lugar, el ruido puede afectar la eficiencia en el trabajo o, en algunos casos extremos, puede generar problemas de audición a largo plazo. Algunas normas como la de Exposición al Ruido en el Trabajo 1910.95 de la OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos), limitan la exposición a varios niveles de sonidos sin protección auditiva, para que no se genere sordera.
En segundo lugar, el ruido puede tener un efecto importante sobre la operación y confiabilidad general en el sistema. El ruido puede afectar la función de algunos dispositivos electrónicos, que pueden actuar como absorbentes de vibración y desgastarse por la vibración. Además, algunos entornos de operación, como los laboratorios, tienen instrumentación sensible a los ruidos.
El diseño del ventilador puede minimizar los ruidos de banda ancha generador por la separación del aire de la superficie del aspa del ventilador y el borde de salida. El ruido se puede minimizar con al ángulo de inclinación apropiado y bordes del aspa de salida con muescas o dientes. Nuestros sopladores de doble ancho, doble entrada (DWDI) de alto rendimiento están diseñados específicamente para mitigar la acústica y reducir los niveles de ruido para ofrecer una mejor experiencia al usuario y disminuir las vibraciones del ambiente para los dispositivos sensibles.
Expectativa de duración
Se define a la expectativa de duración de un ventilador como el período en el que un ventilador se puede usar de manera constante sin una pérdida significativa de la velocidad de rotación o sin que genere demasiado ruido de modo tal que no se pueda usar. Por lo general, se requiere que los ventiladores funcionen durante mucho tiempo sin fallas, para brindar una alta confiabilidad en el sistema. Lo que hace que los ventiladores fallen son los problemas con los cojinetes. No obstante, a diferencia de los cojinetes de motor o los de engranaje que tienen cargas muy grandes, los cojinetes que se usan en los ventiladores de refrigeración suelen tener cargas insignificantes. Por lo tanto, la duración del ventilador puede determinarse a partir del deterioro del lubricante en los cojinetes. Debido a que el torque de funcionamiento y arranque de los ventiladores es bajo en comparación con los motores que se usan para impulsar grandes maquinarias, no girarán de manera adecuada si el lubricante se deteriora. Si esto ocurre, el voltaje inicial aumentará y es probable que el ventilador no arranque. El deterioro del lubricante también aumenta el ruido del ventilador generado por los cojinetes.
Los dos métodos más utilizados para especificar la duración del ventilador son el método de vida útil nominal L10 y el MTBF (tiempo medio entre fallas). La diferencia entre los dos es que la vida útil nominal L10 se refiere específicamente a la cantidad de tiempo en que se demora en fallar el 10 % de un grupo de ventiladores. El MTBF de los ventiladores se puede calcular como el tiempo en el que el 50 % de los ventiladores ha fallado. Las vidas útiles L10 de los ventiladores suelen estar en el rango de las 60,000-70,000 horas en condiciones de funcionamiento normal de -40 °C y 50 °C a una HR del 75 %. Los rangos de vida útil del MTBF suelen estar entre las 200,000-300,000 horas bajo las mismas condiciones.
Para una expectativa de duración prolongada, se considera que los ventiladores de cojinetes de bola de alta calidad son los más confiables. Cuando se utiliza un método L10 para comparar la expectativa de duración de un ventilador con cojinetes de camisa y con cojinetes de bola a temperaturas que varían de 25 °C a 60 °C, los ventiladores de cojinetes de bola superan a los que tienen cojinetes de camisa en un promedio del 50%. En general, no hay mucha diferencia en la duración de los ventiladores con cojinetes de camisa y los de bola cuando las temperaturas son cercanas a la temperatura ambiente. Tradicionalmente, los cojinetes de bola proporcionaban una duración mayor que los de camisa en motores de ventilador en condiciones de temperatura ambiente alta. Las mejoras técnicas recientes a los cojinetes con lubricante líquido (FLB), como los que se usan en nuestros ventiladores axiales estándar y los cojinetes sinterizados de camisa, han arrojado cifras de confiabilidad tan buenas como las de los cojinetes de bola, a costos significativamente más bajos.
Interferencia EMI y EMC
Otra variable en la selección del ventilador es la EMI (interferencia electromagnética) y EMC (compatibilidad electromagnética). La EMI, por definición, es una imposición eléctrica que puede interferir con el funcionamiento habitual del equipo. Hay dos áreas amplias de la interferencia EMI: la interferencia conducida y la radiada.
La interferencia conducida se refiere a cualquier señal no deseada conducida a través de las líneas de alimentación y señal. La interferencia radiada se refiere a cualquier señal no deseada que se emite desde una fuente y puede afectar el funcionamiento normal del equipo. La EMI conducida suele ser más problemática que la EMI radiada. De hecho, cuando se utilizan ventiladores de CC sin escobillas, la EMI conducida suele ser la única preocupación.
Por lo general, los motores de inducción de CA que funcionan con voltajes de onda senoidal no presentan problemas con la EMI. No obstante, puede haber algo de interferencia magnética cerca del motor y sus cables de alimentación. Los motores de CC, ya sean de conmutación mecánica o electrónica, y los motores de CA potenciados por controladores electrónicos tienen firmas de EMI. La EMI se produce al cambiar el voltaje de CC, que es necesario para producir la rotación de los campos magnéticos en el motor.
La EMC (compatibilidad electromagnética) se puede describir mejor como la capacidad que tiene el equipo de funcionar sin generar interferencia electromagnética no deseada que pueda afectar la operación de otros equipos electrónicos, además de su capacidad de que no le afecte negativamente la interferencia que se genera en otros lugares.
Para resumir, la elección del ventilador es una parte muy importante de las aplicaciones de refrigeración líquido a aire y aire a líquido. Para determinar el tamaño correcto de un ventilador para una aplicación, se necesita más que calcular el flujo de aire y la presión estática. Tal y como se comentó en las Partes 1 y 2 de este artículo, existen otros factores muy importantes que el diseñador debe tener en cuenta al momento de determinar el tamaño de un ventilador para proporcionar un sistema confiable. Entre ellos se incluyen los efectos de la densidad del aire, el ruido, la expectativa de duración y la interferencia EMI/EMC.
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