Vigtige parametre til optimering af DC-ventilatordrift

DC-ventilatorer er en grundpille i enhver ingeniørs termiske styringsløsning og er designet til at fjerne varme fra en applikation via effektiv tvungen luftkøling. Selvom DC-ventilatorer er en velkendt og let genkendelig komponent, kræver de stadig en grundlæggende forståelse af luftstrømning og andre vigtige parametre for at sikre, at den valgte ventilator optimeres til et systems behov. Som en hjælp til denne forståelse beskriver denne artikel korrekte beregninger af luftstrømning og lufttryk og justerer disse parametre efter en ventilators driftskurve, virkningen af design i flere ventilatorer og meget mere.

En oversigt over parametre for luftstrømning

Før specifikation af en ventilator er det vigtigt at forstå forskellige parametre for luftstrømning og varmeoverførsel. Tvungen luft fungerer ved at absorbere varme fra et objekt og derefter overføre den til et andet sted for at blive spredt, hvor mængden af overført energi afhænger af den tvungne lufts masse, varmefylde og temperaturændring.

Tvungen lufts masse beregnes ud fra mængden af og tætheden i den luft, der flyttes.

Indsættelse af den anden ligning i den første angår den energi, der spredes til luftmængden.

Derefter skal begge sider divideres med tid for at generere følgende ligning.

Generelt er den overskydende energi kendt, og luftstrømning (mængde/tid) er ukendt, hvilket betyder, at ligningen kan omformuleres som følger:

Denne ligning skrives mere almindeligt som:

Hvor
Q = luftstrømning
q = varme, der skal spredes
ρ = luftens tæthed
Cp = luftens varmefylde
ΔT = den temperatur, luften stiger med ved absorption af varmen, der skal spredes
k = en konstant værdi, afhængigt af de enheder, der bruges i de andre parametre

Tætheden i tør luft ved havets overflade ved 68 °F (20 °C) er 0,075 lbs/ft3 (1,20 kg/m3), mens tør lufts varmefylde er 0,24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C). Hvis du indsætter disse værdier, forenkles ovenstående ligning til:

Hvor
Qf = luftstrømning i kubikfod pr. minut (CFM)
Qm = luftstrømning i kubikmeter pr. minut (CMM)
q = varme, der skal spredes i watt
ΔTF = den temperatur i °F, som luften stiger med ved absorption af varmen, der skal spredes
ΔTC = den temperatur i °C, som luften stiger med ved absorption af varmen, der skal spredes

Krav til lufttryk

Selvom ligningerne herover fandt frem til den luftstrømningshastighed, der er nødvendig for tilstrækkelig køling, skal lufttrykket, der leveres af ventilatoren, også beregnes. Luftstrømningens bane gennem et system skaber en luftstrømningsmodstand, hvilket betyder, at ventilatorer skal kunne frembringe tilstrækkeligt tryk til at tvinge den specificerede luftmængde gennem systemet og opnå den ønskede køling. Hvert system skaber imidlertid et unikt trykkrav og kan derfor ikke forenkles til ligninger som med luftstrømningshastigheden. Heldigvis er modellering af lufttryks- og luftstrømningsegenskaber muligt med mange CAD-produkter i designfasen. Når designet er færdigt, kan anemometre og manometre bruges til at måle disse egenskaber yderligere.

Figur 1: Modellering af luftstrømning og lufttryk (billedkilde: Same Sky)

Krav til frembringelse af luftstrømning og lufttryk

Som beskrevet i de foregående afsnit skal en ventilator (eller ventilatorer) frembringe en bestemt luftstrømningshastighed og lufttryk for at opnå den ønskede køling. På producenters datablade angives følgende: Luftstrømningshastighed uden modtryk, maksimalt tryk uden luftstrømningshastighed og ventilatorens ydelseskurve for luftstrømning i forhold til tryk.

I dette eksempel blev et produkt beregnet til at skulle bruge en luftstrømningshastighed på 10 CFM eller mere baseret på den varme, der skal fjernes, og lufttemperaturgrænserne, mens produktets mekaniske design frembragte grafen for luftstrømning i forhold til tryk nedenfor (figur 2). Den stiplede linje repræsenterer den mindste luftstrømning, der kræves, hvorimod den orange kurve angiver forholdet mellem luftstrømning og tryk.

Figur 2: Mindste luftstrømning afbildet på kurve for luftstrømning i forhold til tryk (billedkilde: Same Sky)

Ved hjælp af grafen herover er Same Sky CFM-6025V-131-167 DC-propelventilator blevet valgt, hvis datablad angiver en luftstrømningshastighed på 16 CFM uden modtryk, statisk tryk på 0,1 inH₂O uden luftstrømning, og det gives ydelsesgrafen herunder (figur 3).

Figur 3: Ydelsesgraf for Same Sky CFM-6025V-131-167 (billedkilde: Same Sky)

Grafen på figur 3 kan derefter overlejres på grafen på figur 2 for at få grafen vist på figur 4, som fremhæver den valgte ventilators arbejdspunkt. Det er vigtigt at bemærke, at selvom arbejdspunktet på 11,5 CFM overstiger luftstrømningskravet på 10 CFM i dette eksempel, vil nogle applikationer kræve en større termisk driftsmargin. En ventilator med andre ydelsesspecifikationer skal derfor vælges.

Figur 4: Ventilatorens arbejdspunkt angivet med den røde cirkel (billedkilde: Same Sky)

Design i og brug af flere ventilatorer

Større eller hurtigere ventilatorer vil generelt give større maksimal luftstrømning og tryk. Men når en enkelt ventilator ikke kan klare opgaven, kan flere ventilatorer bruges i enten paralleldrift eller seriedrift for at forstærke visse ydelsesparametre. Paralleldrift af ventilatorer øger for eksempel den maksimale luftstrømning, men ikke det maksimale tryk, hvorimod seriedrift af ventilatorer øger det maksimale tryk, men ikke den maksimale luftstrømning.

Figur 5: Brug af enkelt ventilator ift. parallel ift. seriel. (Billedkilde: Same Sky)

Ydelseskurven for luftstrømning i forhold til tryk for paralleldrevne eller seriedrevne ventilatorer er identisk med kurven for en enkelt ventilator, bortset fra at luftstrømnings- eller trykværdier er multipliceret med antallet af ventilatorer, der anvendes i henholdsvis paralleldrift eller seriedrift. Det er vist i praksis herunder (figur 6), hvor luftstrømningsværdierne er multipliceret med antallet af ventilatorer i paralleldrift.

Figur 6: Multiplicer luftstrømning med antal ventilatorer i paralleldrift eller tryk med antal ventilatorer i seriedrift. (Billedkilde: Same Sky)

Samlet set er parallelventilatordrift ideel til anvendelser med høj luftstrømning og lavt tryk, mens serieventilatordrift egner sig bedre til anvendelser med højt tryk og lav luftstrømning.

Figur 7: Sammenligning af ventilatorydelse ved høj og lav luftstrømningsmodstand (billedkilde: Same Sky)

Ventilatorhastighed og ventilatoraffinitetslove

Ventilatorhastighed (RPM) påvirker luftmængde, lufttryk, energiforbrug og akustisk støj, der udsendes af en ventilator. Disse relationer er beskrevet yderligere i "ventilatoraffinitetslovene":

• Luftmængden, der flyttes af ventilatoren, er proportional med ventilatorhastigheden.
  • CFM α RPM
    • Eksempel: 4 x RPM producerer 4 x CFM
• Lufttrykket fra ventilatoren er proportionalt med kvadratet af ventilatorhastigheden.
  • Lufttryk α RPM²
    • Eksempel: 2 x RPM producerer 4 x tryk
• Den energi, der kræves for at drive en ventilator, øges med ventilatorhastighedens kubiktal.
  • Energi α RPM³
    • Eksempel: 4 x RPM kræver 64 x energi
• Den akustiske støj, der produceres af en ventilator, øges med 15 dB, når ventilatorhastigheden fordobles.
  • Eksempel: En stigning på 10 dB i akustisk støj opfattes typisk af den menneskelige hørelse som en fordobling af støjniveauet.

Figur 8: Ventilatoraffinitetslove (billedkilde: Same Sky)

Konklusion

En grundlæggende forståelse af luftstrømnings- og trykkrav som beskrevet i denne artikel kan hjælpe designere med at vælge den rette ventilator (eller ventilatorer) for at opfylde deres applikations behov for tvungen luftkøling. Når en enkelt ventilator ikke er i stand til at opfylde de beregnede luftstrømnings- eller trykparametre, giver det ingeniører yderligere muligheder at bruge ventilatorer i parallel- eller seriedrift. Med flere luftstrømnings-, tryk- og ydelsesklassificeringer gør Same Sky brede udvalg af DC-ventilatorer og blæsere det enkelt at finde en velegnet ventilatorløsning.