Parametry istotne dla optymalizacji działania wentylatorów prądu stałego

Wentylatory prądu stałego stanowią jeden z głównych elementów rozwiązań zarządzenia temperaturą i zostały zaprojektowane tak, by odprowadzać ciepło z danego zastosowania za pomocą wymuszonego obiegu powietrza. Choć wentylatory prądu stałego są dobrze znanym elementem, który łatwo rozpoznać, należy dobrze zrozumieć przepływ powietrza i inne kluczowe parametry, by zoptymalizować dany wentylator pod kątem potrzeb systemu. W tym celu w niniejszym artykule omówiono między innymi sposób prawidłowego obliczania przepływu i ciśnienia powietrza, dostosowanie tych parametrów do krzywej pracy wentylatora, a także ich wpływ na systemy zawierające wiele wentylatorów.

Przegląd parametrów przepływu powietrza

Przed określeniem specyfikacji wentylatora należy zrozumieć różne parametry przepływu powietrza i wymiany ciepła. Wymuszony obieg powietrza działa poprzez odbieranie ciepła z obiektu, a następnie przekazywanie go gdzie indziej w celu rozproszenia. Ilość przekazywanej energii zależy od masy, ciepła właściwego i zmiany temperatury wymuszonego powietrza.

Masa wymuszonego powietrza jest obliczana na podstawie objętości i gęstości przemieszczanego powietrza.

Wstawienie drugiego równania do pierwszego wiąże rozproszoną energię z objętością powietrza.

Następnie należy podzielić obie strony przez czas, aby uzyskać następujące równanie.

Znana jest nadwyżka mocy, a przepływ powietrza (objętość/czas) jest niewiadomą, co oznacza, że równanie można przeformułować w następujący sposób:

To równanie często zapisuje się w takiej formie:

Gdzie
Q = przepływ powietrza
q = ciepło, które należy odprowadzić
ρ = gęstość powietrza
Cp = ciepło właściwe powietrza
ΔT = liczba stopni, o którą wzrośnie temperatura powietrza, gdy pochłonie ono ciepło, które ma być odprowadzone
k = wartość stała, zależna od jednostek użytych w pozostałych parametrach

Gęstość suchego powietrza na poziomie morza w temperaturze 20°C (68°F) wynosi 1,20kg/m3 (0,075lb/ft3), natomiast ciepło właściwe suchego powietrza wynosi 1kJ/kg°C (0,24Btu/lb°F). Wstawienie tych wartości uprości powyższe równanie do postaci:

Gdzie
Qf = przepływ powietrza w stopach sześciennych na minutę (CFM)
Qm = przepływ powietrza w metrach sześciennych na minutę (CMM)
q = ciepło, które należy odprowadzić w watach
ΔTF = liczba stopni, o którą wzrośnie temperatura powietrza, gdy pochłonie ono ciepło, które ma być odprowadzone w °F
ΔTC = liczba stopni, o którą wzrośnie temperatura powietrza, gdy pochłonie ono ciepło, które ma być odprowadzone w °C

Wymagania dotyczące ciśnienia powietrza

Podczas gdy powyższe równania rozwiązały kwestię przepływu powietrza potrzebnego do osiągnięcia wystarczającego poziomu chłodzenia, należy również obliczyć ciśnienie powietrza wytwarzane przez wentylator. Droga przepływu powietrza przez system tworzy opór dla przepływu powietrza, co oznacza, że wentylatory muszą być w stanie wytworzyć ciśnienie wystarczające do wymuszenia określonej objętości powietrza przez system, aby uzyskać wymagany poziom chłodzenia. Jednak każdy system tworzy unikalne zapotrzebowanie na ciśnienie, więc nie można go uprościć do postaci równań, jak w przypadku natężenia przepływu powietrza. Na szczęście modelowanie ciśnienia i charakterystyki przepływu powietrza jest możliwe w fazie projektowania dzięki wielu produktom CAD. Po zakończeniu projektowania, do dalszych pomiarów można wykorzystywać anemometry i manometry.

Ilustracja 1: modelowanie przepływu i ciśnienia powietrza (źródło ilustracji: Same Sky)

Wytwarzanie przepływu powietrza i wymagania dotyczące ciśnienia powietrza

Jak przedstawiono w poprzednich punktach, aby uzyskać wymagany poziom chłodzenia, wentylator (lub wentylatory) muszą wytwarzać określony przepływ i ciśnienie powietrza. W arkuszach danych producentów podaje się natężenie przepływu powietrza bez przeciwciśnienia, ciśnienie maksymalne bez natężenia przepływu powietrza oraz krzywą wydajności wentylatora w zależności od ciśnienia.

W tym przykładzie obliczono, że na podstawie ciepła, które ma być odprowadzone oraz wartości granicznych temperatury powietrza, produkt wymaga natężenia przepływu powietrza wynoszącego 10CFM lub więcej, podczas gdy konstrukcja mechaniczna produktu wytworzyła wykres przepływu powietrza w stosunku do ciśnienia widoczny poniżej (ilustracja 2). Linia przerywana przedstawia minimalny wymagany przepływ powietrza, natomiast pomarańczowa krzywa oznacza zależność między przepływem powietrza a ciśnieniem.

Ilustracja 2: minimalny przepływ powietrza wykreślony na krzywej przepływu powietrza w stosunku do ciśnienia (źródło ilustracji: Same Sky)

Na podstawie powyższego wykresu wybrano wentylator osiowy Same Sky CFM-6025V-131-167 DC, którego karta charakterystyki określa natężenie przepływu powietrza na poziomie 16CFM bez przeciwciśnienia, ciśnienie statyczne 0,1 inH₂O bez przepływu powietrza i zawiera poniższy wykres wydajności (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wykres wydajności produktu Same Sky CFM-6025V-131-167 (źródło ilustracji: Same Sky)

Wykres z ilustracji 3 można nałożyć na wykres z ilustracji 2, aby otrzymać wykres pokazany na ilustracji 4, który określa punkt pracy wybranego wentylatora. Należy zauważyć, że podczas gdy punkt pracy 11,5CFM przekracza w tym przykładzie zapotrzebowanie na przepływ powietrza 10CFM, niektóre zastosowania będą wymagały większego marginesu temperatury roboczej. W związku z tym należałoby wybrać wentylator o innej specyfikacji wydajności.

Ilustracja 4: punkt pracy wentylatora oznaczony czerwonym okręgiem (źródło ilustracji: Same Sky)

Projektowanie i praca wielu wentylatorów

Większe lub szybsze wentylatory zazwyczaj oferują większy maksymalny przepływ i ciśnienie powietrza. Jednakże, gdy pojedynczy wentylator nie jest w stanie sprostać zadaniu, można zainstalować kilka wentylatorów równolegle lub szeregowo w celu zwiększenia pewnych parametrów wydajności. Na przykład: wentylatory podłączone równolegle zwiększają maksymalny przepływ powietrza, ale nie maksymalne ciśnienie, podczas gdy wentylatory podłączone szeregowo zwiększają maksymalne ciśnienie, ale nie maksymalny przepływ powietrza.

Ilustracja 5: praca pojedynczego wentylatora i wentylatorów podłączonych szeregowo. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Krzywa wydajności przepływu powietrza w stosunku do ciśnienia dla wentylatorów podłączonych równolegle lub szeregowo jest identyczna z krzywą pojedynczego wentylatora, z wyjątkiem faktu, że wartości przepływu powietrza lub ciśnienia są pomnożone przez liczbę wentylatorów pracujących w układzie równoległym lub szeregowym. W praktyce zostało to pokazane poniżej (ilustracja 6) z wartościami przepływu powietrza pomnożonymi przez liczbę wentylatorów w układzie równoległym.

Ilustracja 6: wartości przepływu powietrza pomnożone przez liczbę wentylatorów w układzie równoległym lub wartości ciśnienia pomnożone przez liczbę wentylatorów w układzie szeregowym (Źródło ilustracji: Same Sky)

Najogólniej rzecz ujmując, wentylatory w układzie równoległym są idealne do zastosowań z dużym przepływem powietrza i niskim ciśnieniem, podczas gdy wentylatory w układzie szeregowym lepiej nadają się do zastosowań z wysokim ciśnieniem i małym przepływem powietrza.

Ilustracja 7: porównanie wydajności wentylatora przy wysokich i niskich oporach przepływu powietrza (źródło ilustracji: Same Sky)

Reguły prędkości obrotowej oraz podobieństwa wentylatorów

Prędkość obrotowa wentylatora (RPM) ma wpływ na objętość i ciśnienie powietrza, pobór mocy oraz hałas wytwarzany przez wentylator. Zależności te zostały zilustrowane poprzez „prawa podobieństwa wentylatorów”:

• Ilość powietrza przemieszczanego przez wentylator jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wentylatora.
  • CFM α RPM
    • Przykład: 4 x RPM przekłada się na 4 x CFM
• Ciśnienie powietrza z wentylatora jest proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej wentylatora.
  • Ciśnienie powietrza α RPM²
    • Przykład: 2 x RPM przekłada się na 4 x ciśnienie
• Moc potrzebna do pracy wentylatora wzrasta z sześcianem prędkości obrotowej wentylatora.
  • Moc α RPM³
    • Przykład: 4 x RPM przekłada się na 64 x moc
• Hałas wytwarzany przez wentylator zwiększa się o 15dB po podwojeniu prędkości obrotowej wentylatora.
  • Przykład: wzrost hałasu o 10dB jest zazwyczaj odbierany przez ludzkie ucho jako podwojenie poziomu hałasu.

Ilustracja 8: reguły powinowactwa wentylatorów (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Podstawowe zasady zrozumienia przepływu powietrza i ciśnienia przedstawione w niniejszym artykule mogą pomóc projektantom w doborze odpowiedniego wentylatora (lub wentylatorów) do potrzeb związanych z chłodzeniem za pomocą wymuszonego obiegu powietrza. Gdy pojedynczy wentylator nie jest w stanie sprostać obliczonym parametrom przepływu powietrza lub ciśnienia, ustawienie wentylatorów równolegle lub szeregowo otwiera przed inżynierami dodatkowe możliwości. Różnorodna oferta wentylatorów prądu stałego i dmuchaw firmy Same Sky, charakteryzująca się różnorodnymi wartościami przepływu powietrza, ciśnienia i wydajności, ułatwia znalezienie odpowiedniego rozwiązania.