А. Чемирис

Инженерная информация по применению вентиляторов "SUNON" (окончание)

Измерения потока воздуха изменением давления

Очень трудно измерить работу воздуха. Есть два метода измерить статическое давление и поток воздуха. Один - туннель ветра и другой - метод двойной камеры. Измерим методом изменения.

В описании выполнения работы потоком воздуха и статического давления, показанного здесь, измерено используя метод двойной камеры. Теперь мы хотели бы пояснить это (см. рис.1). Изменяемая система выпуска может подстраиваться, регулируя плотность воздуха. Внезапное открытие сопла вызывает мгновенное изменение статического давления и воздушного потока, в этот момент измеряется давление каждого манометра.

Рисунок 1. Метод измерения «двойной камерой»

Рисунок 2. Схематическое представление охлаждаемого устройства

Максимальный Воздушный Поток измерен при условии нулевого статического давления, созданного в камере «B». В этой точке разность давлений между камерами «A» и «B» измерено, управляя вентилятором и открыванием выхлопного клапана. Максимальное статическое давление измерялось с вентилятором, вращающимся в камере с закрытым соплом. Эти условия создавали «запечатанную коробку», в которой статическое давление достигало своей максимальной величины. Величина статического давления - это разность между максимальным давлением и атмосферным давлением в камере A.

Приведённые в параметрах приборов измерения записаны при устойчивой скорости вентилятора и номинальном напряжении.

Кривая выполнения работы, приводимая в каталоге для каждого наименования - представляет статическое давление как функцию объёма потока при стандартных воздушных условиях, номинальном рабочем напряжении и частоте. Величина «Статическая эффективность вентилятора» - это значение уровня воздушного потока, умноженное на статическое давление и разделенное на электрическую мощность. Вентилятор представлен как система, имеющая в составе двигатель, рабочее колесо (пропеллер) и рамку. Таким образом, эффективность вентилятора включает и электромеханическую эффективность двигателя, и аэродинамическую эффективность рабочего колеса с рамкой.

Таблица 1. Таблица конверсии данных воздушного потока

Таблица 2. Таблица конверсии данных статического давления

Таблица 3. Таблица конверсии температуры воздушного потока

T ºC	T ºF	0.5 kWh	1 kWh	1.5 kWh	2 kWh	2.5 kWh	3 kWh	3.5 kWh	4 kWh	4.5 kWh	5 kWh
50	90	18	35	53	70	88	105	123	141	158	176
45	81	20	39	59	78	98	117	137	156	176	195
40	72	22	44	66	88	110	132	154	176	195	220
35	63	25	50	75	100	125	151	176	201	226	251
30	54	29	59	88	117	146	176	205	234	264	293
25	45	35	75	105	141	176	211	246	281	316	351
20	36	44	88	132	176	220	264	308	351	396	439
15	27	59	117	176	234	293	351	410	469	527	586
10	18	88	176	264	351	439	527	615	704	791	879
5	9	176	351	527	704	879	1055	1230	1406	1582	1758

Как правильно сделать выбор - вентилятор или трубодув

Проектировщики определяют необходимый воздушный поток, чтобы отвести тепло в данной системе. Требуемый воздушный поток определяется, зная рассеиваемую мощность устройства, которое необходимо охладить до нормальной рабочей температуры. Годы опыта показали, что долговечность пользовательской системы, до её сервисного обслуживания, падает при недостаточной системе охлаждения. Проектировщик также должен знать, что стоимость и продажеспособность изделия могут снизиться, если срок службы окажется неприемлемым потребителю.

Чтобы выбрать воздушный поток для охлаждения, нужно учитывать пункты следующего списка:

• Оптимальная эффективность воздушного потока
• Минимальное занимаемое пространство
• Минимальный акустический шум
• Минимальная потребляемая мощность
• Максимальный срок службы
• Влияние на конечную стоимость устройства

Вот, к примеру, три шага выбора требуемого вентилятора или трубодува в ваших применениях:

ШАГ 1. Требования полного охлаждения.

Первый шаг предусматривает три критических фактора требований полного охлаждения.

Это:

• Тепло T, которое может быть перемещено
• Теплопередача W (в Ваттах ), чтобы переместить T
• Количество воздушного потока (в CFM), требуемое для охлаждения

Рабочая система будет эффективной, если обеспечит требуемые эксплуатационные режимы и работоспособность всех её компонентов.

При выборе вентилятора, для обычного использования, прибегните к следующей методике.

1. Определите количество тепла внутри оборудования.
2. Высчитайте допустимое повышение температуры внутри оборудования.
3. Узнайте из уравнения - необходимый воздушный поток.
4. Оцените модуль сопротивления системы.
5. Выберите вентилятор с требуемой кривой выполнения работы, показанной в листе данных или каталоге.

Если внутреннее тепловыделение и полное допустимое повышение температуры известны, объем воздушного потока, требуемого оборудованию, можно определить.

Основное уравнение теплопередачи выглядит как:

H = Cp x W x T

где,

H = объём перемещаемого тепла
Cp = теплота воздуха
T = изменение температуры в пределах корпуса
W = массовый поток

Очевидно, что

W = CFM x D

где, D - плотность воздуха

Заменой получаем:

Применяя конверсионные факторы и определенную теплоту, учитывая плотность морского воздуха, уравнение теплопередачи выглядит:

1CFM = 3160 x 1 Kilowatts /ºF

Тогда, мы получаем следующие уравнения:

где,

Q - Требуемый воздушный поток
P - Допустимое температурное повышение в ºF
Tf - Внутреннее выделение тепла в ºF
Tc - Допустимого температурное повышение в ºC

T = T₁ - T₂

Пример 1 :

Если внутреннее тепловыделение 500 ватт и T = 20 ºF, то результат следующий:

или

Пример 2 :

Если внутреннее тепловыделение 500Вт и DT =10 ºC:

или

ШАГ 2: Полное сопротивление системы/ график характеристики системы.

По пути перемещения потока воздуха, он сталкивается с другими компонентами системы. Это сопротивление, точнее - импеданс, ограничивает свободное движение воздуха и его прохождение. Изменение давления (DP) - статическое давление, измеренное в дюймах водяного столба (inches H2O). Чтобы определить охлаждение в ваттах, проектировщик системы должен не только иметь допустимую воздушную кривую потока и определить максимальный поток воздуха, но должен также знать кривую сопротивления системы. Существует потеря воздушного давления из-за сопротивления компонентов внутри корпуса. Эта потеря изменяет воздушный поток и известна как системное сопротивление.

Формула характеристики системы: P = KQ_n

Где,

K - постоянная, характеризующая систему
Q - воздушный поток, CFM (ft3/min)
n - фактор турбулентности, 1 n 2
Ламинарный поток, n=1
Турбулентный поток, n=2

ШАГ 3: Рабочая точка системы

Точка пересечения двух кривых - выполнения работы воздухом (воздушный поток к статическому давлению) и системного сопротивления - является рабочей точкой, в которой поток воздуха, перемещаемый вентилятором, наиболее эффективен см. рис. 3.

Рисунок 3. Определение рабочей точки

В этой точке изгибы и изменения воздушной кривой работы наименьшие, в то же время участок кривой характеристики системного сопротивления наиболее стабилен.

Соображения проектирования:

1. Сохранять путь воздушного потока свободным насколько это возможно (вход и выход для протока воздуха оставлять максимально свободными).
2. Устанавливая преграды воздушному потоку в вашей системе, учитывайте, что является более гладкой поверхностью для протекания воздуха, не уменьшайте охлаждающую эффективность.
3. Если требуется фильтр, Вы должны учесть дополнительное сопротивление воздушному потоку.

Примеры выбора наиболее подходящего вентилятора для ваших приложений

Пример 1.

На рисунке 4 - кривая работы воздуха типового вентилятора SUNON 60x60x25 мм, который работает в системе охлаждения устройства со средней скоростью. Вентилятор может давать, например: в Точке А или С, 5 CFM или 20 CFM, соответственно, если системное сопротивление будет находиться в перепаде давления воздушного потока - между 0,16 (Точка A) и 0,04 inches H2O (Точка C). Если система может быть доработана так, как это выглядит в точке В, то вентилятор сможет отправить 12 CFM при давлении 0,09 inches H₂O.

Рисунок 4. Кривая работы воздуха

Пример 2.

Как показано на рисунке 5, Кривая 2 - вентилятор того же самого размера и конфигурации, но c меньшей скоростью вращения, чем на Кривой 1. Если системе требуется только 15 CFM при 0,05 inch H₂O -парабола нормы пересекается в точке B. Поэтому вентилятор, который обеспечивает воздушный поток 18CFM и нулевом статическом давлении - подходит для охлаждения. Таким образом, можно использовать вентилятор с более низкой скоростью вращения.

Рисунок 5. Технические характеристики вентилятора 60x60x15 мм с низким и средним показателями вращения

Рисунок 5 показывает, на одном графике, различия между двумя вентиляторами. В некоторых случаях можно выбрать физически меньший вентилятор с тем же самым воздушным потоком, если системное сопротивление будет достаточно малым.

Пример 3.

На рисунке 6изображены 3 кривые выполнения работы вентиляторами на средней скорости 40x40x6 мм (Кривая 3), 30x30x6 мм (Кривая 2) и 25x25x6 мм (Кривая 1).

Рисунок 6. Воздушная кривая выполнения работы 40x 40x6mm, 30x 30x6mm и 25x 25x6mm

Случай 1: Если система имеет сопротивление 0,025 inches H2O и требует воздушного потока 2 CFM, то чтобы 40 мм вентилятору охладить систему - рекомендуем выбрать рабочую точку B.

Случай 2: Если в системе имеется большое количество компонентов и/или более компактная физическая конфигурация - системное сопротивление будет более высоким. Теперь, предположите, что системное сопротивление увеличено до 0,038 inches H₂O и требует 0,85 CFM для охлаждения, доступны два вентилятора - 40x6 мм и 30x6 мм, в таком случае рекомендуем выбрать рабочую току А.

Альтернативой для охлаждения системы с высоким сопротивлением, является - Микро трубодув.

Параллельная и последовательная работа вентиляторов

Параллельная операция определена как использование рядом двух или более вентиляторов. Графики работы параллельных вентиляторов в сравнении с отдельно взятым вентилятором показана на рис. 7.

Рисунок 7. Графики, характеризующие работу двух параллельных вентиляторов в сравнении с одиночным

Поток воздуха двух вентиляторов в параллельном соединении увеличивается вдвое, при условии свободного вращения. Если параллельные вентиляторы применяются в случае с более высоким системным сопротивлением, внутри корпуса, то результатом станет малый прирост воздушного потока. Таким образом, этот тип рекомендуется применять только для ситуации с низким системным сопротивлением - когда вентиляторы могут работать на беспрепятственный продув.

График, характеризующий последовательно работающие вентиляторы, в сравнении с одиночным вентилятором показан на рис. 8.

Рисунок 8. Графики, характеризующие работу двух последовательно работающих вентиляторов в сравнении с одиночным

Рассмотрим случай работы двух последовательных вентиляторов (друг за другом). При этом способность создавать статическое давление может удвоиться, если существует условие максимального сопротивления системы, но поток воздуха не увеличится в ситуации беспрепятственного продува. Дополнительный вентилятор последовательно - увеличит поток воздуха в корпусе, при более высоком статическом давлении. Таким образом, последовательная работа даёт лучшие результаты в системах с высоким сопротивлением.

Уровень акустического шума

Акустические измерения вентиляторов SUNON производились в «глухой комнате» с фоновым шумом менее 15 дБ. Измерение шума вентилятора выполнялось в открытом пространстве с микрофоном на расстоянии одного метра от приёмного окна вентилятора (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Схема оборудования для измерения шума вентилятора

Уровень звукового давления (SPL), который является зависимым от уровня звуковой мощности - определяется из следующего:

SPL = 20 log₁₀ P/Pret

и

PWL = 10 log₁₀ W/Wret

где,

P - давление
Pret - допустимое давление
W - акустическая мощность источника
Wret - допустимая акустическая мощность

Шумовые данные вентилятора обычно приводятся в частотной полосе октавы. Это обеспечивает относительную индикацию эффекта изменения в дБ:

3 дБ - Едва слышимый
5 дБ - Приметный
10 дБ - В два раза громче

Принятые уровни шума:

0 до 20 дБ - Очень слабый
20 до 40 дБ - Слабый
40 до 60 дБ - Средний
60 до 80 дБ - Громкий
80 до 100 дБ - Очень громкий
100 до 140 дБ - Болезненный

Как добиться снижения уровня шума

Следующие рекомендации снабдят пользователей наилучшими подходами к достижению уменьшения шума вентилятора.

1. Сопротивление (импеданс) системы:

   Как известно, область между входным отверстием и окнами выхода воздушного потока составляет от 60% до 80% полного импеданса системы. Кроме того, чем больше воздушный поток - тем выше уровень шума. Чем выше полный импеданс системы, тем большее количество воздушного потока требуется, чтобы обеспечить необходимое охлаждение. Поэтому, чтобы снизить шум, импеданс системы должен быть уменьшен до как можно более низкого уровня.

2. Турбулентность потока:

   Преграды на пути турбулентного потока воздуха являются генераторами шума. Таким образом, чтобы уменьшить уровень шума - нужно избегать преград, особенно во входном отверстии и области выхода.

3. Скорость вращения вентилятора и его размер:

   Так как высокоскоростной вентилятор обычно создаёт больший шум, чем низкоскоростной, то низкая скорость вентилятора должна использоваться всякий раз, когда это возможно. Очень часто, больший вентилятор, медленнее вращаясь, будет более тихим, чем меньший, который делает это быстрее при обеспечении того же самого воздушного потока.

4. Температурное повышение:

   Воздушный поток обратно пропорционально связан с допустимым температурным повышением в пределах системы. Небольшое изменение, в допустимом повышении температуры, ведёт к существенному изменению уровня требуемого воздушного потока. Поэтому, если можно пойти на небольшой компромисс в увеличении предела повышения температуры, то будет значительно проще обеспечить достаточный поток воздуха. В результате чего - шум заметно уменьшится.

5. Вибрация:

   В некоторых случаях, например в системах освещения, вентилятор допускается применять с гибкими и мягкими изоляторами, допустимую вибрацию производители указывают в сопроводительной документации.

6. Изменение напряжения питания вентилятора:

   Изменение напряжения затрагивает уровень акустического шума. Чем более высокое напряжение приведено к питанию вентилятора, тем выше вибрация, сгенерированная увеличенным числом оборотов в минуту. Таким образом, более высокий шумовой уровень вызывается повышением питающего напряжения.

7. Соображения дизайна:

   Конструкция каждого компонента вентилятора затрагивает уровень акустического шума. Уровень шума может зависеть от дизайна рабочего воздушного окна, лезвий пропеллера и корпуса, а также точности изготовления и балансировки.

О применении 3-х проводных вентиляторов SUNON

1. Вентилятор с управляющими цепями спроектирован для измерения и контроля количества оборотов в минуту

   Двигатели таких вентиляторов имеют три вывода (+ Красный; - Чёрный, и Жёлтый - третий провод с выходным сигналом)

   OCM Type

   • Низкое стартовое напряжение
   • 3-й провод с прямоугольным сигналом, усиленный транзистором
   • Конструкция с открытым коллектором

   TM Type

   3-й провод с прямоугольным сигналом, усиленный транзистором

   M Type

   3-й провод с прямоугольным сигналом, без транзисторного усиления, всего 0,5 - 2,2 В

   OCM и TM типы с коллекторными выходными цепями (конструкция с открытым коллектором) показаны на рис. 10.

   
   Рисунок 10. Схема работы вентилятора с открытым коллектором

2. Вентилятор со встроенной интегральной схемой показан на рис. 11, где
   • t1: Защита от остановки по падению тока движения (IR)
   • t2: Авто запуск посылкой стартового тока (IS)
   • t3: F тип имеет схему с открытым коллектором для измерения количества оборотов в мин.

   
   Рисунок 11. График работы вентилятора со встроенной интегральной схемой: а) R тип - с датчиком вращения, б) F тип - с частотным генератором

За дополнительной информацией обращайтесь по адресу: alex_chemiris@ukr.net