Tärkeät parametrit optimoitaessa DC-tuulettimen toimintaa

DC-tuulettimet ovat peruselementtejä jokaisen suunnittelijan lämmönhallintaratkaisuissa. Niitä käytetään lämmön poistamiseen sovelluksesta tehokkaan koneistetun ilmajäähdytyksen avulla. Vaikka DC-puhallin on yleisesti tunnettu ja helposti tunnistettava komponentti, sen käyttö edellyttää perustason ymmärrystä ilmavirtauksesta ja muista keskeisistä parametreista, jotta järjestelmän tarpeisiin osataan valita parhaiten soveltuva puhallin. Tämä artikkeli auttaa ymmärtämään näitä tekijöitä. Artikkelissa käydään läpi miten ilmavirtaus ja ilmanpaine voidaan laskea, miten nämä liittyvät puhaltimen toimintakäyrään, useiden puhaltimien vaikutus jne.

Ilmavirtaparametrien yleiskatsaus

Ennen puhaltimen määrittämistä on tärkeää ymmärtää erilaiset ilmavirtaa ja lämmönsiirtoa koskevat parametrit. Koneellinen ilmanvaihto toimii absorboimalla lämpöä esineestä ja siirtämällä sen muualle pois johdettavaksi. Siirretyn energian määrä on riippuvainen koneellisen ilmanvaihdon ilman massasta, ominaislämmöstä ja lämpötilan muutoksesta.

Koneellisesti vaihdetun ilman massa lasketaan siirrettävän ilman tilavuudesta ja tiheydestä.

Toisen yhtälön lisäämisen ensimmäiseen yhtälöön liittää pois johdetun energian ilmatilavuuteen.

Jaa seuraavaksi molemmat puolet ajalla, jolloin saadaan seuraava yhtälö.

Yleensä liiallinen teho on tiedossa, kun taas ilmavirtaa (tilavuus/aika) ei tunneta. Tämä tarkoittaa sitä, että yhtälö voidaan muotoilla uudelleen seuraavasti:

Tämä yhtälö kirjoitetaan yleensä seuraavasti:

Tässä yhtälössä
Q = ilmavirtaus
q = poistettava lämpö
ρ = ilman tiheys
Cp = ilman ominaislämpö
ΔT = kuinka paljon ilma lämpenee, kun ilma ottaa vastaan haihdutettavan lämmön
k = vakioarvo, joka riippuu muissa parametreissa käytetyistä yksiköistä

Kuivan ilman tiheys merenpinnan tasolla 20 °C:ssa (68 °F) on 1,20 kg/m3 (0,075 lbs/ft), kun taas kuivan ilman ominaislämpö on 1 kJ/kg °C (0,24 Btu/lb °F). Näiden arvojen lisääminen yksinkertaistaa yllä mainitun yhtälön seuraavaan muotoon:

Tässä yhtälössä
Qf = ilmavirtaus kuutiojalkoina minuutissa (CFM)
Qm = ilmavirtaus kuutiometreinä minuutissa (CMM)
q = poistettava lämpö watteina
ΔTF = kuinka paljon ilma lämpenee, kun ilma ottaa vastaan poistettavan lämmön (°F)
ΔTC = kuinka paljon ilma lämpenee, kun ilma ottaa vastaan poistettavan lämmön (°F).

Ilmanpainevaatimukset

Vaikka edellä mainitut yhtälöt ratkaisevat riittävään jäähdytykseen tarvittavan ilmanvaihtomäärän, myös tuulettimen synnyttämä ilmanpaine on laskettava. Kun ilmamäärä virtaa järjestelmän läpi, se kohtaa ilmavirran vastuksen. Tämä tarkoittaa että puhaltimien on pystyttävä synnyttämään riittävä paine, jotta haluttu ilmamäärä voidaan pakottaa järjestelmän läpi tarvittavan jäähdytyksen aikaansaamiseksi. Kullakin järjestelmällä on kuitenkin yksilöllinen painevaatimuksensa jota ei voida yksinkertaistaa yhtälön muotoon, esimerkkinä ilmanvaihtomäärän yhtälö. Ilmanpaineen ja ilmavirtauksen ominaiskäyrien mallinnus on suunnitteluvaiheessa onneksi mahdollista monissa CAD-tuotteissa. Suunnittelun jälkeen näitä ominaisuuksia voidaan mitata tuulimittareiden ja painemittareiden avulla.

Kuva 1: ilmavirran ja ilmanpaineen mallintaminen (kuvan lähde: Same Sky)

Tarvittava ilmavirta ja ilmanpaine

Kuten edellä on kuvattu, puhaltimen (tai puhaltimien) on tuotettava tietty ilmanvaihtomäärä ja ilmanpaine, jotta tarvittava jäähdytys saadaan aikaan. Valmistajan teknisissä tiedoissa annetaan seuraavat tiedot: ilmanvaihtomäärä ilman vastapainetta, enimmäispaine ilman ilmanvaihtomäärää ja puhaltimen ilmavirta–painetehokäyrä.

Tässä esimerkissä laskettiin, että tuote tarvitsee ilmavirtaa vähintään 10 CFM, mikä perustuu poistettavaan lämpöön ja ilman lämpötilarajoihin. Tuotteen mekaanisesta muodosta taas saatiin alla oleva ilmavirta–painekuvaaja (kuva 2). Katkoviiva kuvaa tarvittavaa vähimmäisilmavirtaa, kun taas oranssi käyrä ilmaisee ilmavirran ja paineen välisen suhteen.

Kuva 2: kuvaajassa ilmavirran vähimmäismäärä sekä ilmavirran ja paineen välinen suhde (kuvan lähde: Same Sky)

Edellä kuvatun kuvaajan avulla on valittu Same Sky -yhtiön CFM-6025V-131-167-DC-aksiaalipuhallin, jonka ilmanvaihtomäärä on laitteen teknisten tietojen mukaan 16 CFM ilman vastapainetta, staattinen paine 0,1 inH₂O ilman ilmavirtausta ja jolla on seuraava suorituskykykuvaaja (kuva 3).

Kuva 3: Same Sky -yhtiön CFM-6025V-131-167-puhaltimen suorituskykykaavio (kuvan lähde: Same Sky)

Kuvan 3 kuvaaja voidaan asettaa kuvan 2 kuvaajan päälle, jolloin saadaan kuvan 4 kuvaaja, joka näyttää valitun puhaltimen toimintapisteen. On tärkeää huomata, että vaikka toimintapiste 11,5 CFM ylittääkin tässä esimerkissä ilmavirtavaatimuksen 10 CFM, on käyttökohteita, jotka vaativat suuremman termisen toimintamarginaalin. Tällöin olisi valittava puhallin, jolla on erilaiset suorituskykyominaisuudet.

Kuva 4: puhaltimen toimintapiste on merkitty kuvaajassa punaisella ympyrällä (kuvan lähde: Same Sky)

Useiden puhaltimien suunnittelu ja käyttö

Suuremmat tai nopeammat puhaltimet tarjoavat yleensä suuremman enimmäisilmavirran ja enimmäisilmanpaineen. Jos yksi puhallin ei kuitenkaan riitä, joitain suorituskykyparametreja voidaan parantaa käyttämällä useampia puhaltimia rinnakkain tai sarjassa. Esimerkiksi puhaltimien käyttö rinnakkain lisää enimmäisilmavirtaa mutta ei enimmäispainetta, kun taas sarjaan yhdistetyt puhaltimet lisäävät enimmäispainetta mutta eivät enimmäisilmavirtausta.

Kuva 5: puhaltimen toiminta – yksittäinen vs. rinnan vs. sarjaan yhdistetty. (Kuvan lähde: Same Sky)

Rinnan tai sarjaan yhdistettyjen puhaltimien ilmavirta-painetehokäyrä on samanlainen kuin yhden puhaltimen käyrä, paitsi että ilmavirtauksen tai paineen arvot kerrotaan rinnan tai vastaavasti sarjaan yhdistettyjen puhaltimien lukumäärällä. Tämä on esitetty seuraavassa kuvassa (kuva 6), jossa ilmavirran arvot on kerrottu rinnan yhdistettyjen puhaltimien lukumäärällä.

Kuva 6: kerro ilmavirta tuulettimien lukumäärällä rinnakkaisessa kokoonpanossa tai kerro paine puhaltimien määrällä sarjakokoonpanossa. (Kuvan lähde: Same Sky)

Rinnan yhdistettyjen puhaltimien käyttö on ihanteellinen ratkaisu sovelluksiin, joissa halutaan suuri ilmavirtaus alhaisella paineella. Sarjaan yhdistetyt puhaltimet sopivat taas paremmin sovelluksiin, joissa halutaan korkea paine ja alhainen ilmavirtaus.

Kuva 7: puhaltimen suorituskyvyn vertailu suurella ja pienellä ilmavirtauksen vastuksella (kuvan lähde: Same Sky)

Puhaltimen nopeus ja puhaltimen affiniteettilait

Puhaltimen nopeus (kierrosluku, RPM) vaikuttaa ilmamäärään, ilmanpaineeseen, tehonkulutukseen ja puhaltimen ääneen. ”Puhaltimen affiniteettilait” kuvaa tarkemmin näitä suhteita:

• puhaltimen siirtämä ilmamäärä on verrannollinen puhaltimen nopeuteen.
  • CFM α RPM
    • Esimerkki: 4-kertainen RPM aiheuttaa 4-kertaisen CFM-arvon
• Puhaltimen ilmanpaine on verrannollinen puhaltimen nopeuden neliöön.
  • Ilmanpaine α RPM²
    • Esimerkki: 2-kertainen RPM aiheuttaa 4-kertaisen paineen
• Puhaltimen käyttöön tarvittava teho kasvaa puhaltimen kierrosluvun kuutiossa.
  • Teho α RPM³
    • Esimerkki: 4-kertainen RPM vaatii 64-kertaisen tehon
• Puhaltimen synnyttämä ääni nousee 15 dB, kun puhaltimen nopeus kaksinkertaistuu.
  • Esimerkki: ihminen kokee 10 dB:n äänenvoimakkuuden lisääntymisen melutason kaksinkertaistumisena.

Kuva 8: puhaltimen affiniteettilait (kuvan lähde: Same Sky)

Yhteenveto

Kun suunnittelija tuntee perustasolla tässä artikkelissa kuvatut ilmavirran ja ilmanpaineen vaatimukset, hän osaa valita oikean puhaltimen (tai puhaltimet), jotta ilmanvaihtoratkaisu täyttää käyttökohteen koneistetun ilmajäähdytyksen tarpeen. Kun yksi puhallin ei riitä saavuttamaan laskettuja ilmavirtaus- tai ilmanpaineparametreja, puhaltimien kytkeminen rinnan tai sarjaan tarjoaa suunnittelijoille lisävaihtoehtoja. Same Sky -yhtiön tuotevalikoimaan kuuluu monenlaisia DC-puhaltimia ja -tuulettimia, joiden ilmavirtaus-, paine- ja suorituskykyominaisuudet kattavat laajan käyttöalueen. Tämä tekee sopivan puhallinratkaisun löytämisestä yksinkertaista.