散热风机的选择及风道设计

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1、散热风机的选择及风道设计1 目的和范围本文档为电气设备的散热风机的选择及风道设计提供参考指导2 术语表1序号术语描述1流量单位时间内流过风机的气体容积。2全压风机出口截面上的总压与进口截面上的总压之差。气流在某一点或某一截面上的全压等于该点 或该截面上的动压和静压之和。3动压风机出口截面上气体的动能所表征的压力。即将气体从零速度加速至某一速度所需的压力。4静压风机的全压减去风机的动压。即气流中某一点或充满气体的空间的某一点的绝对压力与大气压 力之差。3 风机选型计算3.1 概述在通风设计中，合理的选择一款风机是一项非常重要的工作，风机一旦选用， 将在生产中运行若干年，选型合理会给用户的使用带来

2、方便和效益。在电气产品 散热设计中常选用的风机可分为轴流风机和离心风机两大类。轴流风机：气流轴向进入风机叶轮后，在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流 动的通风机。相对于离心通风机轴流通风机具有流量大、体积小、压头低的特点。 一般用在设备风阻不大的场合。如控制柜、开关柜等。离心风机：气流进入旋转的叶片通道，在离心力作用下气体被压缩并沿着半 径方向流动。离心风机又可细分为（1）前向叶轮 叶片出口几何角大于 90的离 心式叶轮。前后叶轮一般采用圆弧形叶片，较后向和径向叶轮获得的压力大，但 效率低，如果对通风机压力要求较高，转速或圆周速度又受到一定限制时，往往 选用前向叶轮。（2）径向叶轮 叶片出口几何角

3、等于 90的离心式叶轮。径向叶 轮通风机压力系数较高，小型轻量，适用于磨损较严重的场合。（3）后向叶轮 叶 片出口几何角度小于 90的离心式叶轮。后向叶轮通风机在离心风机中效率最高 适用于风量宽的场合。设备风阻较大，对风速有强制要求的场合使用。3.2 风机选型计算 风机选型，首先要确定风机的使用环境、输送的介质及其特性、流量、压力， 这是风机选型过程的要素。3.2.1 确定风机的使用环境条件 在选择风机前，要首先确定风机的使用环境，确保选用的风机在工作环境中 能正常使用，环境要求主要从以下5个方面考虑：1.工作环境温度；2.存储环境温度；3.相对湿度；4.大气压强；5.海拔高度。3.2.2 介

4、质及其特性电气产品中使用风机输送的介质主要为热空气，室内环境温度最高约40C, 输送的热空气温度约为55Co电气产品要求运行时的环境温度大于-5C,故要求户内安装风机的操作温度 区间要覆盖-5一55C，户外安装风机的操作温度区间要覆盖-40一一55C ；风机 的绝缘等级为B级或更高。3.2.3 流量计算 根据设备的发热量来计算风机的额定流量，由能量守恒定律可知，单位时 间内器件发出的热量应与流过器件的空气吸收的热量相同。即Q=pqCAT(1)实际工程设计中常将式(1)中的参数带入，简化成如下经验公式q = Q(2)0.335AT式中：q实际所需的风量，m3/h;Q散热量，WAT一一空气温升，C

5、，一般取10一一15Cop空气的密度kg/m3；:空气的定压比热容，j/kgC实际工程中，按照1.5一一2倍的裕量选择风机工作点的流量，则风机的额定流量为 q=1.5 q 。3.2.4 压力计算风机的在额定流量下的压力需大于被冷却设备的风阻，被冷却设备的风阻可 分为两部分：（1）元器件选用散热器的的风阻AP，该数据可以从所选散热器厂家查得,当散热器在风的流道中成串联布置时，则总风阻p； =n 阿（3）n为流到中散热器的串联数量，并联布置时Ap； =Apx（2）风管内空气里流动的阻力Ap2，该部分阻力主要有风道的设计决定。被冷却设计总的风阻p = Ap； + Ap2 （4）风机在额定流量下的压力

6、需大于总风阻AP根据计算的流量和压力要求，对照风机的性能曲线，使风机的工作点落在风 机的合理工作区内。3.3 风道内空气流动的阻力计算风管内空气里流动的阻力有两种，一种是由于空气本身的黏滞性及其与管壁 间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；另一种是空气流经 风管中的管件及设备是，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中 的能量损失，称为局部阻力。3.3.1 摩擦阻力计算根据流体力学原理，空气在横断面形状不变的管道内流动时的摩擦阻力按下 式计算：(5)(6)Ap =九丄 xpvnm 4RS2对于圆形风管，摩擦阻力计算公式可改写为Ap 二PVilm D 2单位长度的摩擦阻力

7、（比摩阻）为R = A X PV2m D 2式中：入一一摩擦阻力系数;v 风管内空气的平均流速 m/s;p空气的密度kg/m3；l一一风管长度，m;Rs风管水利半径，m;D圆形风管直径，m。摩擦阻力系数入与空气在风管内的流动状态和风管管壁的粗糙度有关。在通 风系统中，薄钢板风管的空气流动状态大多属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡 区。通常，高速风管的流动状态也处于过渡区。只有流速很高、表面粗糙的砖、 混凝土风管流动状态才属于粗糙区。计算过渡区摩擦阻力系数的公式如下：*=-2lg（- + 1） （8）VX、3.7D ReW式中：K风管内壁粗糙度，mm；D风管直径，mm；常用材料的粗糙度K,见下表：

8、表 4 常用材料粗糙度风管材料粗糙度（mm）风管材料粗糙度（mm）薄钢板或镀锌薄钢板0.150.18胶合板1.0塑料板0.010.05砖砌体36矿渣石膏板1.0混凝土13矿渣混凝土板1.5木板0.2T.0矩形风管的当量直径：在实际工程应用中，对矩形风管进行计算是常将其等效为圆形风管，其当量直径为：D = 2abv=a+b(9)式中： a、b 为矩形风管的边长， mm。在进行风管道计算时，为了避免繁琐的计算，可根据公式（7）和式（8）制成各种形式的表格或线算图。下图所示的通风管道单位长度摩擦阻力线算图，可 供计算管道阻力时使用。运用线算图或计算表，只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两

9、个，即可求得其余两个参数。图 1 通风管道单位长度摩擦阻力线算图10)11)12)13)(14)(15)需要说明的是，上表的线算图是是按过渡区的九值，在压力B=101.3kPa、 温度t0=200C、空气密度p0=1.24kg/m3、运动粘度v=15.06x10-6m2/s、壁粗糙度 K=0.15mm、圆形风管、气流与管壁间无热量交换等条件下得的。当实际条件与 上述不符时，应进行修正。密度和黏度修正：R = R (p p )o.9i(u.u )0.1mm 000式中：Rm一一实际的单位长度摩擦阻力，Pa/m;Rm0图上查出的单位长度摩擦阻力，Pa/m;P一一实际空气的密度kg/m3；-实际空气

10、运动黏度，m2/s空气温度和大气压力的修正：R = KK Rmt B m 0“(273 + 20 平825K =t ( 273 +1 丿K = (B 101.3)0.9B式中：Kt一一温度修正系数；KB环境空气压力修正系数；t一一实际空气温度；B实际的环境空气压力，kPa管壁粗糙度的修正:R = K Rmr m 0K = (Kv)0.25r式中：Kr管道壁粗糙度修正系数；V管内空气流速，m/s。3.3.2 局部阻力当空气流过断面变化的管件(如各种变径管、风管进出口)、流向变化的管件(弯头)和流量变化的管件(三通、排风口)都会产生局部阻力。局部阻力计 算公式如下：z = zUP式中：z一一局部阻

11、力系数。局部阻力系数一般用实验方法确定。实验时先测出管件前后的全压差(即局 部阻力Z),再除以与速度相应的动压。下表为部分管件常见局部阻力系数。表 5 局部阻力系数fl|U2RA23y局部阻力系致吹吸口吹吸口吸入口管端孔口0.030如1宜角弯1 .50Q.4.30h/a/?/ 匚i .5 o. jg1 .5 O. D1 .5 O.CB1 .5 O.OQ1.00.5；五节尊官kQJ)/10fl.fi-0fl J1 ,3R矩形断时0.751 00.37.301 0.000.751 00.R5:矩我断E0.750.751 0o. ig嘅噺面4j -商面r-断面伞涉/f断面士匪nV p/-面g-G $

12、9t风管内空气里流动的阻力p2 =Ap m +Z（17）3.4 其它注意事项1）在同一个风道中，当一台风机不能满足实际要求时，就必须采用几台风 机联合工作，风机联合工作的方式有并联和串联两种，在电气产品中通常选用并 联。2）需并联使用时应优先选择同型号的风机并联，风机并联后风机的压力与 单台的压力相同，流量略小于并联风机的流量之和。离心风机并联时，风机之间 若无挡板间隔，则两台风机间的中心距需大于2D（D为风机直径），加挡板隔开时， 挡板距风机外壳的距离须大于1/4D ；轴流风机并联则无此要求。3）电气产品所选的风机都为风机自带电机，所选风机需能在产品使用的地 方找到动力电源，当同一机组需使用不同的风机是，尽量选择电机电压要求一样 的风机。4）风机的储存温度需满足产品使用地的环境要求，防止设备停机时由于极 端天气照成风机的损坏。5）在选择通风机时，应尽量避免采用通风机串联工作。当不可避免是，应 选择同型号、同性能的风机串联，且第一级与第二级风机之间应有一定的管路联 接。