换热器原理与设计 课件 第五章 电子设备的自然冷却设计.ppt

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1、第五章第一讲电子设备的自然冷却设计自然冷却包括传导、自然对流和辐射换热。具有安全、可靠、价格便宜、维修量小等优点，如满足要求应优先选用。自然冷却用印制板的选取自然冷却用印制板的选取 适用于电子设备的印制板的品种较多，为了提高其传热（导适用于电子设备的印制板的品种较多，为了提高其传热（导热）性能，目前常用的有以下几种热）性能，目前常用的有以下几种散热印制线路板散热印制线路板。在印制线路板上敷有导热金属板的在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板导热板式散热印制板在印制线路板上敷有金属导热条的在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板导热条式散热印制板在印制线路板中间夹有导热金属芯的

2、在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印金属夹芯式散热印制板制板5.2印制板上电子元器件的热安装技术印制板上电子元器件的热安装技术 安装在印制板上的元器件的冷却，安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。竖直放置、平行排列。的安装形式如下图所示。竖直放置、平行排列。印制板的合理间距印制板的合理间距 对于对称的对于对称的等温竖直平行平板等温竖直平行平板，实验结果表明，两平板的最，实验结果表明，两平板的最佳间距为佳间距为：式中

3、：式中：P cp 比定压热容，比定压热容，kJ/(kg)；空气平均密度，空气平均密度，kg/m3；g 重力加速度，重力加速度，m/s2；V 体积膨胀系数，体积膨胀系数，-1；t 板与空气的温差，板与空气的温差，；空气的动力粘度，空气的动力粘度，Pas；空气的导热系数，空气的导热系数，W/(m)。L板高度，米板高度，米 其它情况的其它情况的最佳间距最佳间距值如下表所示。值如下表所示。对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑应考虑气流流向的合理性气流流向的合理性。对于一般规格的印制板，对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平

4、放竖直放置时的表面温升较水平放置时小置时小。竖直安装的印制电路板，竖直安装的印制电路板，最小间距应为最小间距应为19mm，以防止自以防止自然流动的然流动的收缩和阻塞收缩和阻塞。上述间距下，上述间距下，在在71的环境中的环境中，对于小型印制电路板上，对于小型印制电路板上热流密度为热流密度为0.0155W/cm2的组件，其表面温度约为的组件，其表面温度约为100（即温升约为（即温升约为30）。自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：0.0155W/cm2。5.2.2自然对流换热表面传热系数计算式第93页表5-2机箱加装散热片5.2.3自然对流的换热网络5

5、.2.4自然冷却开式机箱的热设计（开有通风孔）5.2.5自然冷却闭式机箱的热设计5.5 电子设备机柜和机壳的设计 采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。下图所示是电子采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。下图所示是电子设备自然散热的路径。可以看出设备自然散热的路径。可以看出机壳是接受设备内部热量机壳是接受设备内部热量，并将其散，并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分，故发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳结构对电子设备的自机壳结构对电子设备的自然冷却显得格外重要。然冷却显得格外重要。机壳表面的最大热流密度不得超过机壳表面的最大热流密度不得超过0.039W/cm0.039W/c

6、m2 2。机柜表。机柜表面温度不得高于周围环境温度（机房）面温度不得高于周围环境温度（机房）1010。外壳必须与底座和支架有良好的外壳必须与底座和支架有良好的导热连接导热连接。热路中的大热路中的大部分热阻存在于接合交界面处部分热阻存在于接合交界面处。所有金属间的接触面必。所有金属间的接触面必须须清洁、光滑清洁、光滑，并且，并且接触面积应尽可能大接触面积应尽可能大，且应有足够，且应有足够的的接触压力接触压力。铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为热阻值为6.456.4525.8cm25.8cm2 2/W/W。金属厚度以。金属厚度以

7、0.250.250.5cm0.5cm为宜为宜。机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相适应，且压机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相适应，且压降应小于热空气的浮升压力降应小于热空气的浮升压力。进气孔的。进气孔的总面积总面积可按下式可按下式计算：计算：式中：式中：A0 进风孔面积，进风孔面积，cm2；0 通风孔应散热流量，通风孔应散热流量，W；H 自然冷却设备机箱高度，自然冷却设备机箱高度，cm；t=t2 t1；t2 设备内部空气温度，设备内部空气温度，；t1 设备外部周围环境温度。设备外部周围环境温度。通风孔的布置原则应使通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离进、出风孔尽量远离，进风孔，进风孔

8、应开在机箱的应开在机箱的下端接近底板处下端接近底板处，出风口则应开在机箱，出风口则应开在机箱侧侧上端接近顶板处上端接近顶板处。通风孔的形状、大小可根据设备通风孔的形状、大小可根据设备应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。机箱（或机壳）内、外表面涂漆，在靠近发热元件的机机箱（或机壳）内、外表面涂漆，在靠近发热元件的机壳顶部、底部或两侧开通风孔壳顶部、底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件的等，均能降低内部器件的温度温度。第二讲 电子设备强迫空气冷却设计2.1 强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却的热计算2.2 通风机通风机2.3 系统压力损失

9、及计算系统压力损失及计算2.4 强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却系统的设计2.5 通风管道的设计通风管道的设计2.6 强迫空气冷却的机箱和机柜设计强迫空气冷却的机箱和机柜设计2.1 强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对流流换热系数换热系数的确定。的确定。对流换热系数的大小与流体流动的对流换热系数的大小与流体流动的状态状态（层流或紊流）、（层流或紊流）、流体的流体的物性参数物性参数、换热面的、换热面的几何形状几何形状和和位置位置等有关。等有关。判断流体流动状态的准则是雷诺数判断流体流动状态的准则是雷诺数ReRe

10、。对于管内流动，当。对于管内流动，当Re2200Re2200时，流动属层流；当时，流动属层流；当ReRe10104 4时，流动属紊流；中时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。一、环境的影响一、环境的影响 环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于1360Pa1360Pa时，导热

11、系数随压力降低而降低。导热系数也随温度时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。的降低而降低。空气的动力粘度空气的动力粘度随温度的升高而增大，而不受压力的随温度的升高而增大，而不受压力的影响。影响。干燥空气的密度可由下式计算干燥空气的密度可由下式计算：式中：式中：空气密度，空气密度，kg/m3；t 温度，温度，；P1 使用大气压力，使用大气压力，Pa。二、空气吸收的热流量和质量流量二、空气吸收的热流量和质量流量空气吸收的热量可用下式计算：空气吸收的热量可用下式计算：式中：式中：空气吸收的热流量，空气吸收的热流量，W；qm 空气的质量流量，空气的质量流量，kg/s；cp 定压比

12、热，定压比热，J/(kg)；t 空气的温升，空气的温升，。空气的质量流量由下式计算：空气的质量流量由下式计算：式中：式中：qm 空气的体积流量，空气的体积流量，m3/s；空气密度，空气密度，kg/m3。三、对流换热在电子设备热设计中的应用三、对流换热在电子设备热设计中的应用流体在管内或槽内流动流体在管内或槽内流动 对非圆形截面管道来说，公对非圆形截面管道来说，公式中所用的当量直径为：式中所用的当量直径为：式中：式中：A 管道横截面积，管道横截面积，m2；U 湿周长度，湿周长度，m。空气以湍流状态流经管道空气以湍流状态流经管道掠过圆柱体或导线（表掠过圆柱体或导线（表5-55-5，120120页）

13、页）流过球体流过球体平行于平面（或板）平行于平面（或板）Re在400-1500的层流，带散热片的冷板和热交换器的传热因子2.2 通风机 通风机可分为离心式（下图通风机可分为离心式（下图(a)(a)）和轴流式下图）和轴流式下图(b)(b)两类。两类。通风机的选择主要取决于下列因素：空气流量、压力大通风机的选择主要取决于下列因素：空气流量、压力大小、效率、流速、空气管道系统、噪音及通风机特性等小、效率、流速、空气管道系统、噪音及通风机特性等。一、离心式风机一、离心式风机 离心式风机的特点是离心式风机的特点是风压较高风压较高，一般用于阻力，一般用于阻力较大发热元器件或机柜的较大发热元器件或机柜的冷却

14、。冷却。离心式风机按叶轮的叶片形状可分为离心式风机按叶轮的叶片形状可分为前弯式、径向式和后弯前弯式、径向式和后弯式三种式三种，如上图所示。，如上图所示。在给定的转速和尺寸条件下，前弯式的风压最大，出口风速高，相在给定的转速和尺寸条件下，前弯式的风压最大，出口风速高，相对结构紧凑、质量小，但压损大，风机效率不高，在使用时应防止电对结构紧凑、质量小，但压损大，风机效率不高，在使用时应防止电机过载。后弯式相反。机过载。后弯式相反。在设备较小而要求的风压比较大的情况下，应采用前弯式通风机。在设备较小而要求的风压比较大的情况下，应采用前弯式通风机。二、轴流式风机二、轴流式风机 轴流式风机的特点是风量大、

15、风压小轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其结构形式可。根据其结构形式可分为分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最。其中螺旋桨式压力最小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导叶式用于中、低系小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导叶式用于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。三、风机性能三、风机性能主要性能参数：风量、风压、功率和效率主要性能参数：风量、风压、功率和效率风压：全压（扬程风压：全压（扬程,动压动压+静压），动压（动能），静压），动压（动能），静压（相对压力，皮托管全压和静压）静压

16、（相对压力，皮托管全压和静压）功率：风量功率：风量风压风压效率：风机功率轴功率效率：风机功率轴功率三、通风机特性曲线三、通风机特性曲线 通风机特性曲线是指通风机在通风机特性曲线是指通风机在某一固定转速下工作时，静压、效某一固定转速下工作时，静压、效率和功率随风量而变化的关系曲线。率和功率随风量而变化的关系曲线。其中风量与静压关系曲线最为常用。其中风量与静压关系曲线最为常用。上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。特性曲线中存在一特性曲线中存在一效率最高的点效率最高的点，当通风机工作在该点附近时，这就需要选择最佳，当通风机工作在该点附近时，这就需要选择最佳通风机，

17、以便满足空气流量和静压的要求。通风机，以便满足空气流量和静压的要求。四、系统阻力特性与通风机工作点的确定四、系统阻力特性与通风机工作点的确定 通风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的通风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的，并在出口处形成一定的速度头。，并在出口处形成一定的速度头。系统（或通风管道）的阻系统（或通风管道）的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比量的平方成正比。右图中，右图中，、三三条曲线分别代表不同系统条曲线分别代表不同系统（风道）的特性曲线。系统（风道）的特性曲线。系统（阻力

18、）特性曲线与通风机（阻力）特性曲线与通风机的特性曲线的交点就是该通的特性曲线的交点就是该通风机的工作点。风机的工作点。五、通风机的选择五、通风机的选择 选择通风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、选择通风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件应用环境条件、噪噪声以及体积、重量等声以及体积、重量等，其中风量和风压是主要参数。，其中风量和风压是主要参数。根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。风机的类型。当要求风量大、风压低的设备

19、，尽量采用轴流式通风机，当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则选用离心式通风机。反之，则选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据工通风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸作点来选择具体的型号和尺寸。通风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。通风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。六、通风机的串联和并联使用六、通风机的串联和并联使用 当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可考虑通风当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可考虑通风机的串联或并联方式。机的串联或并联方式。通风机的串联使用通风机的串联使用 当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用当通风机的

20、风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联的工作方式。两只通风机串联的工作方式。通风机串联后总风量基本上是每台风机的风量（略有增加），通风机串联后总风量基本上是每台风机的风量（略有增加），总总风压为相同风量下两台通风机风压相加风压为相同风量下两台通风机风压相加。因此当因此当风道特性曲线比较陡风道特性曲线比较陡时，即时，即风道阻力较大风道阻力较大时，可采用串联形式。时，可采用串联形式。通风机的并联使用通风机的并联使用 通风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提通风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而高，而总风量是各通风机风量之和总风量是各通风机风量之和。当当风道特性曲线比

21、较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。风机的合理安装叶轮安装位置对气流的影响，第110页图5-16七、通风机的噪声七、通风机的噪声 选择电子设备冷却用的通风机时，噪声是应重点考虑的因素选择电子设备冷却用的通风机时，噪声是应重点考虑的因素之一。一般通风机的叶尖若以高的线速度工作时，并且所产生的之一。一般通风机的叶尖若以高的线速度工作时，并且所产生的静压在静压在500Pa以上，则通风机所产生的噪声将随转速的提高而增以上，则通风机所产生的噪声将随转速的提高而增大。大。对通风机进行动平衡和静平衡设计，隔震和流线型设计等都对通风机进行动平衡和静平衡设计

22、，隔震和流线型设计等都可以降低噪声。可以降低噪声。噪声级可按下式计算：噪声级可按下式计算：式中：式中：Ln 噪声级，噪声级，dB；n1、n2 转速，转速，s-1。2.3 系统压力损失及计算 系统系统压力损失（也称压降）包括两部分：压力损失（也称压降）包括两部分：沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失。之间的摩擦引起，也称为静压损失。局部压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、局部压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。一、沿程压

23、力损失一、沿程压力损失式中：式中：pl 沿程压力损失，沿程压力损失，Pa；v 空气平均流速，空气平均流速，m/s；f 沿程阻力系数；沿程阻力系数；空气密度，空气密度，kg/m3；l 管道长度，管道长度，m；de 当量直径，当量直径，m。对于对于光滑的管道，其沿程阻力系数光滑的管道，其沿程阻力系数f只是只是Re的函数的函数，可用下，可用下列公式计算列公式计算：a.层流时层流时：b.紊流且紊流且Re105时时：c.紊流且紊流且105 Re3 106时时：对于对于粗糙管道，沿程阻力系数粗糙管道，沿程阻力系数f是是Re及管壁相对粗糙度的函及管壁相对粗糙度的函数数，可由下图查得。，可由下图查得。常用管道

24、的绝对粗糙度常用管道的绝对粗糙度(mm)如下表所示。如下表所示。二、管道局部压力损失二、管道局部压力损失 当流体的当流体的速度和方向发生变化时速度和方向发生变化时所引起的局部压力损失由下式所引起的局部压力损失由下式计算：计算：式中：式中：pc 局部压力损失，局部压力损失，Pa；局部阻力损失系数之和，其值如下各表所示；局部阻力损失系数之和，其值如下各表所示；空气密度，空气密度，kg/m3；v 空气平均流速，空气平均流速，m/s。三、压力损失计算的基本类型三、压力损失计算的基本类型已知流速、长度、直径、粘度及粗糙度求压力损失。在已知流速、长度、直径、粘度及粗糙度求压力损失。在电子设备冷却系统的设计

25、中，这是最常见的问题。在这电子设备冷却系统的设计中，这是最常见的问题。在这类问题中，类问题中，流速是由所需要的冷却量确定的流速是由所需要的冷却量确定的；已知压力损失、长度、直径、粘度及粗糙度求流量。在已知压力损失、长度、直径、粘度及粗糙度求流量。在电子设备冷却系统的设计中，一般没有这种情况，因为电子设备冷却系统的设计中，一般没有这种情况，因为流量总是由散热量确定的；流量总是由散热量确定的；已知压力损失、流量、长度、粘度及粗糙度求直径。已知压力损失、流量、长度、粘度及粗糙度求直径。例如利用一台给定的鼓风机，这时例如利用一台给定的鼓风机，这时管道尺寸将由允许管道尺寸将由允许的压降来确定。的压降来确

26、定。2.4 强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却系统设计的步骤包括：强迫空气冷却系统设计的步骤包括：1.1.根据散热要求，确定冷却空气根据散热要求，确定冷却空气入口和出口的温度（推荐低入口和出口的温度（推荐低于于7070度）和压力度）和压力；2.2.根据可靠性要求确定每个元器件的根据可靠性要求确定每个元器件的最高允许温度最高允许温度（或温升）（或温升）3.3.根据根据电性能电性能和和空间位置空间位置以及以及冷却功率冷却功率的要求确定元器件的的要求确定元器件的排列和布置方式排列和布置方式；4.4.确定雷诺数；确定雷诺数；5.5.根据系统的结构尺寸和雷诺数，计算空气流过每个电子元根据系统的结构尺寸和

27、雷诺数，计算空气流过每个电子元器件或元器件组的质量流量（或体积流量）；器件或元器件组的质量流量（或体积流量）；6.6.计算系统的计算系统的总压力损失及需要的冷却功率总压力损失及需要的冷却功率。一、电子元器件的风冷设计一、电子元器件的风冷设计 大功率晶体管大功率晶体管的外表面积不够大，不能满足直接强迫的外表面积不够大，不能满足直接强迫空气冷却，必须采用空气冷却，必须采用扩展表面的散热器扩展表面的散热器。大规模集成电路大规模集成电路的功率密度比较大，可以采用直接强迫的功率密度比较大，可以采用直接强迫空气冷却。应使其一个平面空气冷却。应使其一个平面暴露在流速较高的风道中暴露在流速较高的风道中进行进行

28、冷却。冷却。电阻器成组安装时电阻器成组安装时，它们之间的，它们之间的空隙应尽可能地大空隙应尽可能地大。当。当电阻器装在一块垂直板或底座上时，电阻器装在一块垂直板或底座上时，电阻器的轴线必须垂电阻器的轴线必须垂直直。当电阻器轴线呈水平方向时，。当电阻器轴线呈水平方向时，电阻器必须叉排电阻器必须叉排，以提，以提高其紊流程度和冷却效果。高其紊流程度和冷却效果。电子设备用的电子设备用的变压器和电感器内热阻很大变压器和电感器内热阻很大，因此采用强，因此采用强迫风冷时，迫风冷时，变压器与散热器之间应具有低热阻的传热路径。变压器与散热器之间应具有低热阻的传热路径。二、稳流器二、稳流器 强迫空气冷却时，就局部

29、冷却而言，紊流比层流的效果强迫空气冷却时，就局部冷却而言，紊流比层流的效果要好。要好。强迫空气冷却的设备强迫空气冷却的设备应保证紊流出现在靠近发应保证紊流出现在靠近发热器件的表面热器件的表面，其措施是，其措施是适当地使热源相互靠近，适当地使热源相互靠近，或者靠近管道壁使距离间或者靠近管道壁使距离间隙缩小，或者隙缩小，或者加装稳流器加装稳流器以便增加其紊流程度。右以便增加其紊流程度。右图图(a)(a)是在垂直于气流方是在垂直于气流方向上装一个稳流器，图向上装一个稳流器，图(b)(b)是在热源前放一横排是在热源前放一横排小棒的稳流器。小棒的稳流器。三、印制板组件的强迫空气冷却三、印制板组件的强迫空

30、气冷却 当不允许冷却空气和器当不允许冷却空气和器件表面直接接触时，可以把件表面直接接触时，可以把印制板组件背靠背形成一个印制板组件背靠背形成一个空芯冷却空气通道空芯冷却空气通道进行冷却。进行冷却。如右图所示。如右图所示。空芯印制板风冷设计的空芯印制板风冷设计的主要问题是主要问题是密封密封。风道类型 113页1射流式5-192水平5-203变截面5-214隔板式5-222.5 通风管道的设计尽量采用短而尽量采用短而直风道输送空气直风道输送空气避免采用避免采用急剧拐弯和弯曲的风道急剧拐弯和弯曲的风道。可采用气体分离器。可采用气体分离器和和导流器导流器，以减小阻力损失，以减小阻力损失避免避免骤然扩展

31、或骤然收缩骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不得超过。扩展的张角不得超过2020，收缩的锥角不得大于收缩的锥角不得大于6060尽量尽量使矩形管道接近于正方形使矩形管道接近于正方形。矩形管道长边与短边。矩形管道长边与短边之比之比不得大于不得大于6:16:1尽量使尽量使管道密封管道密封。所有搭接都应顺着流动方向。所有搭接都应顺着流动方向应采用应采用光滑材料制作管道光滑材料制作管道，以减小摩擦损失，以减小摩擦损失2.6 强迫空气冷却的机箱和机柜设计进气孔应设置在机箱下侧或底部进气孔应设置在机箱下侧或底部。紧靠的系列机柜的。紧靠的系列机柜的进气孔应开在机柜的进气孔应开在机柜的前下侧前下侧排气孔应设置在靠近机箱的顶部排气孔应设置在靠近机箱的顶部。机箱。机箱上端边缘上端边缘是首是首先选择的位置先选择的位置应使冷却空气应使冷却空气从热源中间流过从热源中间流过，防止气流短路防止气流短路进气孔应设置过滤网进气孔应设置过滤网。并考虑过滤网的阻力损失。并考虑过滤网的阻力损失抽风比鼓风好抽风比鼓风好