Chłodzenie urządzeń - Dobór wentylatora lub dmuchawy do chłodzenia układu.pdf - Dokumenty - phill2k

Chłodzenie urządzeń

Dobór wentylatora/dmuchawy

do chłodzenia układu na

podstawie dokumentacji firmy

Sunon

Wentylator może być traktowany tak, jak pompa

powietrza, która zamienia ruch wirowy i moc

napędzającego ją silnika na przepływ strumienia

powietrza o określonej prędkości i ciśnieniu. Do

konwersji używany jest element wykonawczy

w postaci śmigła. Nic bardziej oczywistego.

A jak pogodzić wielkość wentylatora z ilością

odprowadzanego ciepłego powietrza? Kiedy

zastosować wentylator a kiedy dmuchawę?

Postaram się odpowiedzieć na to i inne możliwe

pytania korzystając z materiałów tajwańskiej

firmy Sunon.

Fot. 1. Wentylator

nych parametrach, z czym bywa różnie u daleko-

wschodnich producentów.

Podstawowa różnica pomiędzy wentylatorem a dmu-

chawą polega na sposobie przepływu powietrza

i charakterystyce wywieranego ciśnienia. Wentylator

przemieszcza powietrze w kierunku, który jest pro-

stopadły do płaszczyzny wirowania śmigła. Może

przy tym powodować znaczny jego przepływ ( tab. 1 ),

ale słabo radzi sobie przy dużej różnicy ciśnień, wy-

dmuchując powietrze „przeciwko” wysokiemu ciśnie-

niu. Dmuchawa przemieszcza powietrze w kierunku,

który jest równoległy do płaszczyzny wirowania, przy

Wentylator i dmuchawa są pompami powietrza i dla-

tego do opisu ich pracy będą miały zastosowanie te

same parametry, które charakteryzują pracę każdej

pompy.

W wentylatorze czy dmuchawie ruch obrotowy silnika

zamieniany jest na ruch postępowy powietrza przy

pomocy śmigła. Na fot. 1 pokazano typowy wentyla-

tor, a na fot. 2 dmuchawę. Obie fotografie pokazują

produkty firmy Sunon. Oczywiście podobne można

znaleźć w ofertach innych producentów. Dla potrzeb

tego artykułu wybrałem firmę Sunon, ponieważ wy-

twarza ona wyroby o bardzo dobrze udokumentowa-

Fot. 2. Dmuchawa

1 z 6

Przepływ

(cfm)

17×17×8 0,7…0,9 40×40×10 7,0…8,0 60×60×60 67,0

20×20×8 1,3…1,6 40×40×15 14,0 70×70×15 19,0…27,0

20×20×10 1,5…1,9 40×40×20 6,3…10,8 70×70×20 23,5…43,0

25×25×6 2,2…3,0 40×40×24 21,6 70×70×25 24,0…49,0

25×25×10 3,0…3,5 40×40×28 23,4 80×80×15 32,0…40,0

25×25×15 2,2…3,1 40×40×56 26,7 80×80×20 29,0…53,0

30×30×6 3,7…4,9 45×45×10 9,2…11,0 80×80×25 33,0…60,0

30×30×10 4,6…5,5 50×50×10 11,0…13,0 80×80×32 61,9

30×30×15 4,8…6,0 50×50×15 10,2…17,0 80×80×38 59,5…84,1

35×35×6 4,3…5,5 55×55×15 21,1 92×92×25 39,5…77,0

35×35×10 6,5…7,0 60×60×15 15,0…21,0 92×92×32 79,0

38×38×20 10,6…13,5 60×60×20 19,0…30,5 92×92×38 91,7…120,2

38×38×28 12,6…19,0 60×60×25 19,3…40,0 120×120×25 75,0…150,0

40×40×6 5,5…5,9 60×60×38 41,5…56,5 120×120×38 93,0…190,0

Wymiary

(mm)

Przepływ

(cfm)

Wymiary

(mm)

wane produkowane przez Su-

non mają minimalne napięcie

zasilania 5 V DC, a maksymal-

ne 230 V AC.

Łożyskowanie wirnika

Dla trwałości wentylatora klu-

czowe znaczenie ma sposób

łożyskowania wirnika, ponie-

waż to jego jakość i trwałość

w największym stopniu decydu-

ją o czasie życia wentylatora

Przepływ

(cfm)

35×35×7 0,9 50×50×20 4,8…5,7 75×75×30 7,5…13,6

45×45×20 4,6 60×60×15 3,5…5,2 97×94×33 22,4…30,5

50×50×15 2,3…4,7 60×60×25 7,3 120×120×32 31,4…35,9

Wymiary

(mm)

Przepływ

(cfm)

w aplikacji. Sunon w swoich

wyrobach stosuje pewną, opa-

tentowaną przez siebie modyfi-

kację magnetycznego łożysko-

wania wirnika, nazywaną MagLev ( rys. 3 ). Różnica

czym w porównaniu z wentylatorem wywołuje ona

mniejszy przepływ ( tab. 2 ). Jej zaleta jest taka, że

pomiędzy rozwiązaniem tradycyjnym, a stosowanym

przez Sunon, polega na obniżeniu środka ciężkości

rotora oraz stabilizację orbity wirnika przez zastoso-

różnica ciśnień może być duża, tzn. dmuchawa, ina-

czej niż wentylator, może pracować „przeciwko” du-

żemu ciśnieniu zewnętrznemu.

W większości aplikacji użytkownik ma do czynienia

wanie odpowiednio ukształtowanego statora i płytki

MagLev, „lewitującej” w polu magnetycznym magne-

su stałego. W ten sposób uzyskuje się redukcję

drgań rotora, co przekłada się wprost na znaczną

z wentylatorem w postaci śmigła przymocowanego

do rotora silnika wprawiającego je w ruch wirowy.

Śmigło otoczone jest niewielką osłoną, która jedno-

cześnie ma na brzegach od dwóch do kilku otworów

redukcję hałasu.

na śruby mocujące. Można spotkać również specjal-

ne typy wentylatorów, osłonięte rodzajem tuby lub

umieszczone wewnątrz kanału nawiewnego. Osłony

te, oprócz mechanicznego zabezpieczenia wentylato-

Podstawy aerodynamiki śmigła

Na rys. 4 pokazano podstawowe parametry łopatki

śmigła. Cięciwa (linia przerywana) przechodzi przez

najwyżej położony punkt na krawędzi natarcia i naj-

wyższy punkt krawędzi spływu. Kąt natarcia łopatki

mierzony jest pomiędzy cięciwą a względnym kierun-

ra, redukują również wiry powstające na krawędziach

łopatek śmigła tym samym zmniejszając hałas. Do

napędzania wentylatorów i dmuchaw stosowane są

silniki indukcyjne zasilane prądem przemiennym lub

kiem ruchu powietrza. W związku z tym, że ten kieru-

nek zawiera się w płaszczyźnie wirowania, to kąt

będzie mierzony pomiędzy nią a cięciwą łopatki.

silniki bezszczotkowe zasilane prądem stałym.

Tak wentylatory, jak i dmuchawy, produkowane są

jako lewoskrętne i prawoskrętne. Wentylatory ofero-

2 z 6

Tab. 1. Dane wybranych wentylatorów Sunon

Wymiary

(mm)

Przepływ

(cfm)

Tab. 2. Zestawienie dmuchaw Sunon

Wymiary

(mm)

Przepływ

(cfm)

Wymiary

(mm)

Stator

zwiększa się ciśnienie oraz maleje przepływ powie-

trza po obu stronach łopatki śmigła. Przepływ może

się zmniejszyć do bliskiego 0. Punkt ten nazywa się

punktem odcięcia.

Płytka

maglev

Obniżony środek

ciężkości

Zwykle stosowane w elektronice wentylatory

i dmuchawy mają łopatki o stałym kącie natarcia,

i przy najczęściej stałej, stabilizowanej prędkości

obrotowej, mają swoją ściśle określoną zdolność do

przemieszczania pewnej ilości powietrza, zwaną

wydajnością. Wydajność niektórych wentylatorów

zależy od temperatury powietrza – mają one termi-

stor umieszczony w strumieniu przepływającego

Patent firmy Sunon to płytka z materiału paramagnetycz-

nego i specjalny stator, które oddziałując z magnesem

powodują ściągnięcie wirnika na całym obwodzie w dół i

oparcie jego osi o panewkę. W ten sposób obniżany jest

środek ciężkości i stabilizowana orbita. W efekcie drgania

rotora zostają zredukowane do minimum.

powietrza, mierzący temperaturę i wpływający na

układ regulacji obrotów.

Wydajność wentylatora zmienia się ze zmianą gęsto-

ści powietrza. Ma to duże znaczenie, jeśli wentylator

Stator

czy dmuchawa będą eksploatowane na wysokości

różnej od poziomu morza. W takim przypadku wenty-

lator przeznaczony do pracy na dużej wysokości

musi mieć większą wydajność, niż ten przeznaczony

do pracy na poziomie morza.

Środek ciężkości

jest podwyższony

Krzywa pracy wentylatora

W związku z tym, że większość producentów wenty-

latorów podaje ich parametry w jednostkach obowią-

zujących w Stanach Zjednoczonych i Azji, to w kata-

logach często spotkamy się z przepływam podawa-

nym w CFM, tj. Cubic Feet per Minute (stopa sze-

Typowy wentylator wykorzystuje środek pole magnetycz-

nego, aby przyciągnąć wirnik w dół i oprzeć jego oś o pa-

newkę. Wysoko położony środek ciężkości, nierównomier-

ność natężenia pola magnetycznego i odchylenia centrum

magnetycznego powodują drgania wirnika.

ścienna na minutę) oraz ciśnieniem w Inches of Wa-

ter , tj. calach słupa wody. Na szczęście, zależność

pomiędzy stopami czy calami a metrami jest liniowa i

w razie potrzeby łatwo jest zamienić jednostki. U

Rys. 3. Porównanie rozwiązania MagLev opatentowa-

nego przez firmę Sunon z tradycyjnym

jednego z polskich dystrybutorów firmy Sunono, a

mianowicie na stronie internetowej firmy TME

(www.tme.eu), dostępna jest dokumentacja technicz-

na wentylatorów i dmuchaw Sunon, w której krzywe

Jeśli kąt natarcia jest mały, to ciśnienie różnicowe

(mierzone po obu stronach płaszczyzny wirowania)

jest również małe. Wraz ze wzrostem kata natarcia

(skutkuje to zwiększaniem grubości wentylatora),

wyskalowane są w jednostkach imperialnych oraz SI.

3 z 6

Krawędź

natarcia

w prosty sposób dobrać wentylator

do aplikacji. W praktyce inżynier-

skiej, konstruktorskiej, przy projek-

towaniu prostych systemów, wy-

Krawędź

spływu

starczające będą podane niżej

wskazówki. Jeśli chłodzony system

jest bardzo złożony, to niestety

może okazać się, że niezbędne

Rys. 4. Przekrój łopatki śmigła z zaznaczonymi podstawowymi parametrami.

Względny ruch

powietrza

jest wykonanie serii pomiarów,

symulacji komputerowych lub do-

bór wentylatora metodą prób

i błędów. Nie można bowiem w

Wszystkie aerodynamiczne aspekty pracy wentylato-

ra obrazuje krzywa zwana krzywą wentylatora . Mo-

że ona wyglądać jak na rys. 5 . Analizę rozpoczyna

prosty sposób określić właściwości termicznych

obiektu, nie znając poszczególnych parametrów

komponentów wchodzących w jego skład. W pew-

nych sytuacjach może stać się konieczne użycie np.

się od prawej strony do lewej, to jest od największego

przepływu powietrza do punktu odcięcia. Łopatka

wentylatora pracująca w pobliżu punktu odcięcia

kamery termowizyjnej.

Dla prostych systemów składających się z zasilacza

i komponentów zamkniętych we wspólnej obudowie

można a priori założyć, że cała dostarczana energia

nadal może powodować przepływ powietrza, jednak

przypomina to głośne jego „mielenie” przy jednocze-

snym, dużym wydatku energetycznym.

Pole powierzchni pod krzywą reprezentuje energię

zamieniana jest w ciepło. Po zmierzeniu lub wylicze-

niu wymagań urządzenia związanych z zasilaniem,

można oszacować ilość mocy, którą musi rozproszyć

system chłodzenia. Uśredniona pojemność termiczna

powietrza jest równa 0,569 W×minutę×°C /ft 3 . Ozna-

cza to, że każda ft 3 powietrza przepływającego przez

system w czasie jednej minuty może rozproszyć

0,569 W i wywołać zmianę temperatury o 1°C. Moż-

wydatkowaną na funkcjonowanie wentylatora.

W punkcie odcięcia wirnik ma największą energię

potencjalną, natomiast w osi rzędnych – największą

energię kinetyczną. Aczkolwiek nie są to warunki

pracy użyteczne w zastosowaniach praktycznych, to

mogą mieć zastosowanie przy porównywaniu wenty-

latorów.

na to wyrazić również w inny sposób: straty mocy

wynoszące 1 W powodują wzrost temperatury o 1°C

i aby im zapobiec przez system musi w ciągu jednej

minuty musi przepłynąć 1,757 ft 3 powietrza.

Wybór właściwego wentylatora lub dmuchawy

Szacowanie przepływu powietrza wymaganego do

chłodzenia systemu

Firma Sunon podaje w swoich danych katalogowych

krzywe dla każdego typu wentylatora. Pozwala to

4 z 6

Po oszacowaniu strat mocy w watach i określeniu

dopuszczalnego wzrostu temperatury, można przy-

stąpić do wyboru wentylatora. I tu potrzebna jest

znajomość różnicowego ciśnienia powietrza, to jest

cza się jako m∙= k × P / (T0-T) , gdzie: k = 1,757

cfm×°C/W; P to rozpraszana moc w W; T0-T to

zmiana temperatury w °C.

panującego wewnątrz i na zewnątrz obudowy. Jest to

parametr istotny, ponieważ jak pamiętamy wentylator

kiepsko radzi sobie z pracą „przeciwko” ciśnieniu. Dla

przykładu manometr może wskazywać ciśnienia róż-

Przykład doboru wentylatora lub dmuchawy do chło-

dzenia prostego systemu elektrycznego

W prostych kalkulacjach przyjmuje się, że system

używa 70% mocy źródła napięcia zasilania. Typowo

nicowe 0,2 do 0,25” słupa wody, jeśli wylot wentylato-

ra wyposażony jest w drobny filtr przeciwpyłowy. Po

naniesieniu tej wielkości na wykresie typowego wen-

tylatora powodującego przepływ około 100 cfm (np.

PMD4809PMB2-A z oferty Sunon, rys. 6 ) okazuje

zasilacz AC/DC pracuje ze sprawnością 75%, co

oznacza, że zasilacz zamienia 25% pobranej mocy

na ciepło. Wentylator musi rozproszyć całe zbędne

ciepło. Prześledźmy to na przykładzie.

Zgodnie z tym, co napisano wcześniej, zasilacz

o mocy 400 W i sprawności 75%, dostarczający do

obciążenia moc 400 W, pobierze jej o 25% więcej, tj.

się, że ta wielkość ciśnienia różnicowego redukuje

przepływ aż o blisko 50%! Wymagany przepływ wyli-

Punkt

odcięcia

Normalny

zakres pracy

wentylatora

Krzywa pracy

wentylatora

Ciśnienie, przy

którym pracuje

wentylator

Maksymalny

przepływ powietrza

wokół łopatki

Przepływ powietrza

Przepływ powietrza (wokół łopatki)

w ft 3 /min lub m 3 /min

Rys. 5. Krzywa pracy wentylatora.

5 z 6

Chłodzenie urządzeń - Dobór wentylatora lub dmuchawy do chłodzenia układu.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: