Viktige parametere for optimalisering av DC-viftedrift (likestrømsvifter)

Likestrømsvifter (DC-vifter) er en standardkomponent for enhver teknikers termiske styringsløsning, utformet for å avlede varme fra en installasjon med effektiv luftkjøling. Selv om det er en velkjent og lett gjenkjennelig komponent, krever likestrømsvifter (DC-vifter) fortsatt en grunnleggende forståelse av luftstrøm og andre nøkkelparametere for å sikre at den valgte viften er optimalisert for systemets behov. I denne artikkelen diskuteres korrekte luftstrøm- og lufttrykksberegninger, hvordan disse parameterne blir justert i forhold til viftens driftskurve, effekten av å designe inn flere vifter og mer for å hjelpe med denne forståelsen.

En oversikt over luftstrømparametere

Før du spesifiserer en vifte, er det viktig at du forstår de ulike luftstrøm- og varmeoverføringsparameterne. Tvungen luft fungerer ved å absorbere varme fra et objekt og deretter overføre den til et annet sted hvor den skal spres. Energimengden som overføres er avhengig av massen, den spesifikke varmen og temperaturendringen i den tvungne luften.

Massen med tvungen luft beregnes ut fra volumet og tettheten i luften som flyttes.

Ved å sette den andre ligningen i den første blir energien som spres, relatert til luftvolumet.

Deretter deler du begge sider med tid for å generere følgende ligning.

Generelt sett er den overflødige effekten kjent og luftstrømmen (volum/tid) ukjent, noe som betyr at ligningen kan omformuleres på følgende måte:

Denne ligningen er vanligvis skrevet som:

Der
Q = luftstrøm
q = varme som skal spres
ρ = lufttetthet
Cp = spesifikk varme i luften
ΔT = temperaturen som må til for at luften skal stige når den absorberer varmen som skal spres
k = en konstant verdi, avhengig av enhetene som brukes i de andre parameterne

Tettheten til tørr luft ved havnivå på 68 °F (20 °C) er 0,075 lbs/ft3 (1,20 kg/m3), og den spesifikke varmen for tørr luft er 0,24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C). Når du setter inn disse verdiene, forenkles ligningen ovenfor til:

Der
Qf = luftstrøm i kubikkfot per minutt (CFM)
Qm = luftstrøm i kubikkmeter per minutt (CMM)
q = varme som skal spres, i watt
ΔTF = temperaturen som må til for at luften skal stige når den absorberer varmen som skal spres i °F
ΔTC = temperaturen som må til for at luften skal stige når den absorberer varmen som skal spres i °C

Krav til lufttrykk

Selv om ligningene ovenfor angir luftstrømhastigheten som er nødvendig for tilstrekkelig kjøling, må man også beregne lufttrykket som leveres av viften. Banen til luftstrømmen gjennom et system oppretter en luftmotstand. Dette betyr at viftene må kunne produsere nok trykk til å tvinge det bestemte luftvolumet gjennom systemet for å oppnå den nødvendige kjølingen. Hvert system oppretter imidlertid et unikt trykkrav, slik at det ikke kan forenkles i ligninger slik som luftstrømhastigheten. Heldigvis er det mulig å modellere lufttrykk- og luftstrømegenskaper med mange CAD-produkter i designfasen. Når designet er fullført, kan anemometre (vindmålere) og manometre brukes til å måle disse egenskapene ytterligere.

Figur 1: Modellering av luftstrøm og lufttrykk (Bildekilde: Same Sky)

Krav til produksjon av luftsirkulasjon og lufttrykk

Som beskrevet i de forrige avsnittene, må en vifte (eller vifter) produsere en viss luftstrømningshastighet og et visst lufttrykk for å oppnå den nødvendige kjølingen. Følgende vises på produsentens datablad: luftstrømhastighet uten baktrykk, maksimalt trykk uten luftstrømhastighet, og kurven for viftens luftstrøm kontra trykkytelsen.

I dette eksempelet ble et produkt beregnet til å trenge en luftstrømhastighet på 10 CFM eller mer, basert på varmen som skal fjernes og temperaturbegrensningene. Produktets mekaniske design produserte grafen med luftstrøm versus trykk nedenfor (figur 2). Den stiplede linjen representerer det nødvendige minimumskravet for luftstrøm, mens den oransje kurven angir forholdet mellom luftstrøm og trykk.

Figur 2: Minimum luftstrøm vist på en kurve for luftstrøm kontra trykk (Bildekilde: Same Sky)

Ved å bruke grafen ovenfor har Same Sky cfm-6025V-131-167 DC aksialvifte blitt valgt. Databladet til denne viften angir en luftstrømhastighet på 16 CFM uten baktrykk, statisk trykk på 0,1 inH₂O uten luftstrøm, og oppgir ytelsesgrafen vist nedenfor (figur 3).

Figur 3: Ytelsesgraf for Same Sky CFM-6025V-131-167 (Bildekilde: Same Sky)

Figur 3-grafen kan deretter legges over figur 2-grafen for å lage grafen som vises i figur 4. Denne fremhever driftspunktet til den valgte viften. Det er viktig å merke seg at selv om driftspunktet på 11,5 CFM overstiger luftstrømkravet på 10 CFM i dette eksempelet, krever noen anvendelser en større termisk driftsmargin. Derfor må du velge en vifte med ulike ytelsesspesifikasjoner.

Figur 4: Driftspunktet til viften som er merket med den røde sirkelen (Bildekilde: Same Sky)

Beregne inn og drive flere vifter

Større eller raskere vifter gir generelt større maksimal luftstrøm og -trykk. Men når én vifte ikke er nok, kan flere vifter drives enten parallelt eller i en serie for å øke visse ytelsesparametere. Vifter som drives parallelt øker for eksempel den maksimale luftstrømmen, men ikke det maksimale trykket, mens vifter som drives i serie øker det maksimale trykket, men ikke den maksimale luftstrømmen.

Figur 5: Enkel, parallell og seriell viftedrift. (Bildekilde: Same Sky)

Kurven luftstrøm kontra trykkytelse for en parallell eller seriell vifteorientering er identisk med kurven for en enkel vifte, med unntak av at luftstrøm- eller trykkverdiene multipliseres med antall vifter som drives parallelt eller i serier. Dette vises nedenfor (figur 6), der luftstrømverdiene multipliseres med antall parallelle vifter.

Figur 6: Multipliser luftstrømmen med antall vifter plassert parallelt, eller trykket med antall vifter plassert i serie. (Bildekilde: Same Sky)

Samlet sett er parallelle viftedriften ideell for anvendelser med høy luftstrøm og lavt trykk, mens seriell viftedrift er bedre egnet for anvendelser med høyt trykk og lav luftstrøm.

Figur 7: Sammenlikning av vifteytelse ved høy og lav luftstrømmotstand (Bildekilde:  Same Sky)

Viftehastighet og vifteaffinitetslover

Viftehastighet (RPM) påvirker luftvolum, lufttrykk, effektforbruk og akustisk støy som genereres av en vifte. Disse relasjonene beskrives nærmere i «vifteaffinitetslovene»:

• Luftvolumet som flyttes av viften er proporsjonalt med viftehastigheten.
  • CFM α RPM
    • Eksempel: 4 x RPM produserer 4 x CFM
• Lufttrykket fra viften er proporsjonalt med kvadratroten av viftehastigheten.
  • Lufttrykk α RPM²
    • Eksempel: 2 x RPM produserer 4 x trykk
• Effekten som er nødvendig for å drive en vifte, øker med kuben av viftehastigheten.
  • Effekt α RPM³
    • Eksempel: 4 x RPM krever 64 x effekt
• Den akustiske støyen som produseres av en vifte, øker med 15 dB når viftehastigheten dobles.
  • Eksempel: En 10 dB økning i akustisk støy oppfattes vanligvis som en dobling av støynivået for menneskelig hørsel.

Figur 8: Vifteaffinitetslover (Bildekilde: Same Sky)

Konklusjon

En grunnleggende forståelse av kravene til luftstrøm og trykk som er beskrevet i denne artikkelen, kan hjelpe konstruktører med å velge riktig vifte (eller vifter) for å oppfylle behovene for luftkjøling i anvendelsen. Når én vifte ikke er i stand til å oppfylle de beregnede luftstrøm- eller trykkparameterne, får teknikerne flere alternativer ved å plassere vifter parallelt eller i serie. Flere luftstrømhastigheter, trykktrinn og ytelsesgrader gjør Same Sky mangfoldige portefølje med DC-vifter og -blåsere det enkelt å finne en passende vifteløsning.