Cách chọn quạt tản nhiệt cho điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao?

Hiểu rõ về CFM, Áp suất tĩnh và Điểm vận hành hệ thống

Yêu cầu về CFM và lưu lượng không khí để làm mát bộ tản nhiệt hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao

Việc làm mát đúng cách bằng bộ tản nhiệt khi nhiệt độ tăng cao thực sự phụ thuộc vào việc điều tiết luồng không khí một cách chính xác. CFM là viết tắt của Cubic Feet per Minute, về cơ bản cho biết lượng không khí di chuyển qua hệ thống trong mỗi phút. Con số này rất quan trọng vì nó quyết định liệu nhiệt có được tản ra khỏi các linh kiện một cách hiệu quả hay không. Khi nói đến những nơi có nhiệt độ vượt quá 120 độ Fahrenheit, tình hình trở nên nghiêm trọng rất nhanh. Nếu không có đủ lưu lượng không khí đi qua bộ tản nhiệt, toàn bộ hệ thống có thể gặp hiện tượng gọi là mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway). Khi đó xảy ra điều gì? Hiệu suất truyền nhiệt giảm mạnh, đôi khi lên tới bốn mươi phần trăm. Để xác định chính xác cần bao nhiêu CFM, các kỹ thuật viên thường xem xét hai yếu tố chính: tổng lượng nhiệt do thiết bị tạo ra và sự chênh lệch giữa nhiệt độ không khí đầu vào và đầu ra.

• Tải Nhiệt = Công suất thiết bị ÷ 3,41 (chuyển đổi sang BTU)
• CFM tối thiểu = Tổng BTU ÷ (ΔT × 1,08)
  Ví dụ, một máy phát 50kW ở chênh lệch nhiệt độ 30°F cần khoảng 1.850 CFM. Lưu lượng không khí thấp hơn yêu cầu sẽ làm tăng nhiệt độ linh kiện thêm 15–25°F cho mỗi 10% thiếu hụt CFM, từ đó đẩy nhanh tốc độ hỏng hóc.

Cân bằng áp suất tĩnh và lưu lượng không khí trong các lõi két làm mát dày đặc

Các tấm cánh dày tạo ra lực cản đối với dòng không khí, được đo bằng áp suất tĩnh (inch H₂O). Quạt có áp suất tĩnh cao duy trì lưu lượng CFM ổn định trước lực cản — điều này rất quan trọng đối với các két làm mát nhỏ gọn có mật độ từ 16 cánh/inch trở lên. Cân nhắc:

Sử dụng Biểu đồ Hiệu suất Quạt để Phù hợp với Đường cong Kháng cự Hệ thống

Các biểu đồ hiệu suất quạt thể hiện mối quan hệ giữa CFM và áp suất tĩnh tại các tốc độ RPM nhất định. Đường cong hệ thống đại diện cho trở kháng lưu lượng không khí của két tản nhiệt. Giao điểm của hai đường cong này xác định điểm vận hành — nơi lưu lượng không khí thực tế đáp ứng nhu cầu hệ thống. Để tối ưu hóa:

1. Vẽ đường cong hệ thống của bạn bằng cách sử dụng áp suất tĩnh đã tính toán tại nhiều giá trị CFM khác nhau
2. Chồng các biểu đồ quạt từ nhà sản xuất lên
3. Chọn các quạt mà tại đó các đường cong giao nhau gần điểm hiệu suất cao nhất (BEP)
   Vận hành bên trái BEP gây ra dòng chảy rối và quá tải động cơ; bên phải BEP làm giảm lưu lượng không khí. Việc phối hợp các đường cong trong phạm vi 10% so với BEP giúp giảm tiêu thụ năng lượng từ 18–22% đồng thời ngăn ngừa tình trạng tắc nghẽn trong các điều kiện nhiệt độ cao.

Vật liệu Chịu Nhiệt Cao và Thiết kế Cơ khí nhằm Đảm bảo Độ Bền cho Quạt Két Tản Nhiệt

Các vật liệu chống nhiệt: Nhựa, hợp kim và niêm phong IP68 cho môi trường khắc nghiệt

Khi quạt nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt độ nhiệt Đối với các bộ phận tiếp xúc với nhiệt độ cực cao, các kỹ sư thường chuyển sang nhựa nhiệt độ cao như PEEK, viết tắt của Polyether Ether Ketone. Những loại nhựa này giữ được hình dạng ngay cả khi vật chất nóng lên và không bị phân hủy hóa học theo thời gian. Trong khi đó, các thành phần gần hệ thống xả thường sử dụng hợp kim dựa trên niken vì kim loại thông thường sẽ bị rỉ sét quá nhanh. Các con dấu cũng là một điều quan trọng khác. Chúng phải đáp ứng mức độ bảo vệ IP68 chống lại nước và bụi xâm nhập vào nơi chúng không nên. Sự tích tụ bụi kết hợp với độ ẩm là một công thức cho sự thất bại phần đầu tiên. Vì vậy, chọn đúng vật liệu không chỉ là về việc đáp ứng các thông số kỹ thuật mà thực sự là điều giữ cho các hệ thống này hoạt động đúng cách trong nhiều năm thay vì vài tháng.

• Độ ổn định nhiệt ngăn ngừa biến dạng ở nhiệt độ cực cao
• Khả năng chống oxy hóa giảm sự suy thoái bề mặt trong điều kiện ẩm
• Vòng bi kín ngăn ngừa ô nhiễm dầu bôi trơn bởi các hạt

Địa hình cánh quạt tối ưu: Xanh so với cong về phía trước cho hiệu suất thời gian cao

Thiết kế lưỡi có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quạt tản nhiệt trong các kịch bản nhiệt độ cao. Lưỡi dao quang vượt trội trong môi trường áp suất tĩnh cao phổ biến trong các bộ sưởi nhỏ gọn, duy trì hiệu quả mặc dù mở rộng nhiệt. Các thiết kế cong về phía trước di chuyển khối lượng không khí cao hơn nhưng có nguy cơ biến dạng trên 150 ° C. Các cân nhắc chính bao gồm:

• Độ giãn nở nhiệt cho phép : Thiết kế quang quang phù hợp hơn với mệt mỏi kim loại
• Quản lý thông hành đầu : Giữ hiệu quả khi nhà chứa mở rộng
• Phân phối căng thẳng khí động học : Giảm mài mòn vòng bi do rung động

Chọn vật liệu và thiết kế cơ khí tạo thành nền tảng cho hoạt động đáng tin cậy trong môi trường nhiệt đòi hỏi. Việc thực hiện đúng cách ngăn ngừa các chế độ thất bại sớm như nứt lưỡi hoặc bị mắc kẹt vòng bi.

Hệ thống vòng bi và chiến lược bôi trơn cho độ tin cậy lâu dài

Các vòng bi nhiệt độ cao và bôi trơn: Ngăn ngừa bị cắn và mòn

Khi nói đến quạt tản nhiệt hoạt động trong điều kiện rất nóng, chúng cần có vòng bi có thể chịu được nhiệt. Theo công nghệ tự động hóa nhà máy, hơn một nửa số lỗi vòng bi trong ngành công nghiệp thực sự là do vấn đề về dầu bôi trơn. Đối với các ứng dụng khó khăn này, các nhà sản xuất chuyển sang vòng bi nhiệt độ cao được làm từ hợp kim đặc biệt hoặc thậm chí gốm. Những vật liệu này hoạt động tốt nhất khi kết hợp với các chất bôi trơn tổng hợp được thiết kế để hoạt động trên 300 độ C. Lợi ích thực sự là gì? Những chất bôi trơn tiên tiến này tạo ra ít tiếp xúc trực tiếp hơn giữa các bộ phận kim loại, giảm mức độ ma sát khoảng hai phần ba so với các sản phẩm dầu thông thường. Điều này tạo ra sự khác biệt rất lớn trong tuổi thọ của thiết bị và chi phí bảo trì theo thời gian.

• Dầu bôi trơn rắn (ví dụ, lớp phủ PTFE) để giảm bảo trì trong các hệ thống kín
• Thiết kế tự bôi trơn với các thùng chứa vi để giữ lại phim dầu nhất quán
• Chất béo chống oxy hóa duy trì độ nhớt trong chu kỳ nhiệt

Khoảng thời gian bôi trơn thích hợp ngăn ngừa co giật và mòn mài, kéo dài tuổi thọ của vòng bi 3 5 × trong điều kiện cực đoan.

Kỹ thuật làm mát tích cực và thụ động để bảo vệ các bộ phận vòng bi

Quản lý nhiệt hiệu quả bảo vệ vòng bi khỏi nhiệt thải của lò sưởi. Phương pháp thụ động bao gồm:

• Máy thu nhiệt nhôm phân tán nhiệt nhiều hơn 40% so với thép
• Lớp phủ chắn nhiệt phản xạ năng lượng bức xạ
• Đặt chiến lược xa các đường thoát khí trực tiếp

Việc làm mát tích cực tích hợp các quạt vi tính phụ trợ hoặc ống dẫn không khí dẫn dòng không khí mát đến vỏ vòng bi. Chúng làm giảm nhiệt độ hoạt động 70-100 °C, ngăn ngừa sự phá vỡ chất bôi trơn. Phương pháp lai kết hợp các vật liệu thay đổi pha với vỏ thông gió để có độ tin cậy trong môi trường 150 °C +.