So finden Sie den richtigen DC-Lüfter für Ihr Design
Erfahren Sie in diesem Artikel von Same Sky, wie Sie den passenden DC-Lüfter für Ihr Design finden.
Die DC-Axiallüfter von Same Sky bieten Designflexibilität bei Lüftergrößen, Stromverbrauch, Geräuschentwicklung und mehr. Angesichts der beeindruckenden Vielfalt an Optionen ist es wichtig, einige entscheidende Elemente zu berücksichtigen, bevor der passende DC-Lüfter für Ihr Design ausgewählt wird. Dazu gehört, den Luftstrom und den Luftdruck Ihres Designs zu berechnen, die Luftstromanforderungen im Betriebsbereich eines Lüfters zu verstehen, zu überlegen, ob mehrere Lüfter parallel oder in Reihe betrieben werden sollen, sowie die Gesamteffekte der Lüftergeschwindigkeit auf Ihr Design zu bewerten. Erfahren Sie mehr über diese Überlegungen und erhalten Sie ein besseres Verständnis dafür, wie Sie den richtigen DC-Lüfter für Ihr Design finden können, mit diesem Artikel von Same Sky.
Wichtige Luftstromparameter
Bevor ein Ventilator für ein bestimmtes System spezifiziert werden kann, gibt es einige Parameter, die in Bezug auf Luftstrom und Wärmeübertragung wichtig sind. Bewegte Luft ist effektiv beim Kühlen von Objekten, indem sie Wärme vom Objekt aufnimmt und diese Wärme dann woanders abgibt, um dissipiert zu werden. Die Menge der übertragenen Energie hängt von der Masse der bewegten Luft, der spezifischen Wärme der bewegten Luft und der Temperaturänderung ab, die der bewegten Luft zugefügt wird.
Energie = Masse * spezifische Wärmekapazität * Temperaturanstieg
Die Masse der bewegenden Luft kann aus dem Volumen der bewegten Luft und der Dichte der bewegenden Luft berechnet werden.
Masse = Volumen * Dichte
Das Einsetzen der zweiten Gleichung in die erste verbindet die dissipierte Energie mit dem Volumen der beteiligten Luft.
Energie = (Volumen * Dichte) * spezifische Wärmekapazität * Temperaturanstieg
Das Teilen beider Seiten der Gleichung durch die Zeit führt zur folgenden Form der Gleichung.
Leistung = (Volumen/Zeit) * Dichte * spezifische Wärme * Temperaturanstieg
In den meisten Anwendungen ist die überschüssige Leistung (Ineffizienz des Systems) bekannt und der Luftstrom (Volumen/Zeit) unbekannt. Daher kann die Gleichung wie unten gezeigt angeordnet werden.
Luftstrom = Leistung/(Dichte * spezifische Wärme * Temperaturanstieg)
Wie in unserem vorherigen Blogbeitrag besprochen, wird diese Gleichung üblicherweise wie folgt geschrieben:
Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k Wobei: Q = Luftstrom q = abzuführende Wärmemenge ρ = Dichte der Luft Cp = spezifische Wärmekapazität der Luft ΔT = Temperaturerhöhung der Luft beim Aufnehmen der abzuführenden Wärme k = ein konstanter Wert, abhängig von den Einheiten der anderen Parameter
Die Dichte von trockener Luft auf Meereshöhe bei 68°F (20°C) beträgt 0,075 lbs/ft3 (1,20 kg/m3) und die spezifische Wärme von trockener Luft beträgt 0,24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C). Unter Verwendung dieser Werte für Dichte und spezifische Wärme vereinfacht sich die obige Gleichung zu:
Qf = 3,2q/ΔTF Qf = 1,8q/ΔTC Qm = 0,09q/ΔTF Qm = 0,05q/ΔTC Wobei Qf = Luftstrom in Kubikfuß pro Minute (CFM) Qm = Luftstrom in Kubikmeter pro Minute (CMM) q = abzuführende Wärme in Watt ΔTF = Temperaturanstieg der Luft bei der Aufnahme der abzuführenden Wärme in °F ΔTC = Temperaturanstieg der Luft bei der Aufnahme der abzuführenden Wärme in °C
Luftdruck
Die obigen Gleichungen geben die Luftstromrate an, die erforderlich ist, um ein Produkt zu kühlen. Es ist auch notwendig, den Druck zu kennen, mit dem der Luftstrom vom Ventilator geliefert werden soll. Der Weg des Luftstroms durch das zu kühlende Produkt erzeugt einen Widerstand gegen den Luftstrom. Ventilatoren sollten so ausgewählt werden, dass sie ausreichend Druck erzeugen, um das erforderliche Luftvolumen durch das Produkt zu leiten und die gewünschte Kühlung zu ermöglichen. Die Berechnung des erforderlichen Drucks ist eine separate Aufgabe für jedes einzigartige Produkt und kann nicht in einer Weise vereinfacht werden, wie es bei der Berechnung der Luftstromrate möglich ist. Viele CAD-Produkte stehen zur Verfügung, um den Luftdruck und die Luftstrommerkmale eines Designs zu berechnen, während Anemometer und Manometer verwendet werden können, um die Luftgeschwindigkeits- und Druckmerkmale zu messen, sobald ein Design abgeschlossen ist.
Abbildung 1: Charakterisierung und Darstellung des Luftstroms im Vergleich zum Druck
Erreichen des erforderlichen Luftstroms und Drucks
Basierend auf den Konzepten aus den vorherigen beiden Abschnitten muss ein Luftstrom und ein Luftdruck durch den Lüfter (oder die Lüfter) erzeugt werden, um die erforderliche Kühlung bereitzustellen. Datenblätter von Lüfterherstellern liefern einen Wert für den Luftstrom ohne Gegendruck, einen Wert für den maximalen Druck ohne Luftstrom und eine Kurve des Luftstroms im Verhältnis zum vom Lüfter erzeugten Druck. Nehmen wir zum Beispiel ein Produkt, dessen Luftstromanforderungen basierend auf der zu entfernenden Wärme und den Grenzwerten der Lufttemperatur auf 10 CFM oder mehr berechnet wurden. Das mechanische Design des Produkts wurde charakterisiert, um das Luftstrom-Druck-Diagramm zu erzeugen, das in Abbildung 2 gezeigt wird. Die gestrichelte Linie kennzeichnet den minimal erforderlichen Luftstrom für das Produkt (ein höherer Luftstrom ist ebenfalls akzeptabel), während die orange Kurve die Beziehung zwischen Druck und Luftstrom für das mechanische Design des Produkts darstellt.
Abbildung 2: Systemanforderungen, Luftstrom versus statischer Druck
Basierend auf den Kurven in Abbildung 2 wurde der Gleichstrom-Axiallüfter CFM-6025V-131-167 von Same Sky für das Projekt ausgewählt. Das Datenblatt des Gleichstromlüfters gibt einen Luftstrom von 16 CFM ohne Gegendruck, einen statischen Druck von 0,1 inH2O ohne Luftstrom an und liefert außerdem die Grafik in Abbildung 3.
Abbildung 3: Leistungsdiagramm des CFM-6025V-131-167 von Same Sky
Die Überlagerung der Systemanforderungen aus Abbildung 2 mit den Eigenschaften des Gleichstromlüfters aus Abbildung 3 ergibt das Diagramm in Abbildung 4.
Abbildung 4: Systemanforderungen und Lüfterleistung
Der durch den roten Kreis in Abbildung 4 hervorgehobene Arbeitspunkt zeigt den Druck und den Luftstrom des Systems mit dem ausgewählten Ventilator an. Es ist zu beachten, dass der erforderliche Luftstrom mit 10 CFM berechnet wurde und der Ventilator 11,5 CFM Luftstrom liefert. Für einige Anwendungen wird dies eine ausreichende thermische Betriebsmarge darstellen, während in anderen Anwendungen diese Lösung möglicherweise nicht genug Marge bietet.
Betreiben von Lüftern parallel oder in Serie
Im Allgemeinen bieten größere oder schnellere Lüfter einen höheren maximalen Luftstrom und einen höheren maximalen Druck. Wenn ein einzelner Lüfter den erforderlichen Luftstrom oder Druck nicht liefern kann, können zwei oder mehr Lüfter physisch parallel oder in Reihe betrieben werden. Der Betrieb von Lüftern in Parallelschaltung erhöht den maximal verfügbaren Luftstrom, erhöht jedoch nicht den maximalen Druck, während der Betrieb von Lüftern in Reihenschaltung den maximal verfügbaren Druck erhöht, jedoch nicht den maximal verfügbaren Luftstrom.
Abbildung 5: Betrieb mehrerer Lüfter in Reihe oder parallel
Die Leistungskurve für den Betrieb mehrerer Ventilatoren parallel kann vom Benutzer problemlos erstellt werden. Die kombinierte Luftstrom-gegen-Druck-Kurve für mehrere parallel betriebene Ventilatoren entspricht der Kurve eines einzelnen Ventilators, wobei sich die einzige Änderung darin zeigt, dass die Luftstromwerte mit der Anzahl der parallel betriebenen Ventilatoren multipliziert werden.
Abbildung 6: Beim parallelen Betrieb von Lüftern wird der Luftstrom mit der Anzahl der Lüfter multipliziert
Die Leistungskurve für den Betrieb mehrerer Lüfter in Reihe kann auf ähnliche Weise erstellt werden, wobei die Druckwerte durch die Anzahl der Lüfter in Reihe verändert werden. Letztendlich bieten mehrere Lüfter parallel die größte Verbesserung für Systeme mit hohem Luftstrom und niedrigem Druck, während mehrere Lüfter in Reihe die größte Verbesserung für Systeme mit hohem Druck und niedrigem Luftstrom bieten.
Abbildung 7: Mehrere Lüfter in Systemen mit hohem und niedrigem Luftwiderstand
Effekte der Lüftergeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit des Lüfters (U/min) kann durch die anfängliche Auswahl des Lüfters oder durch ein Lüfter-Steuersignal bestimmt werden. Eine Änderung der Lüftergeschwindigkeit beeinflusst das Luftvolumen, den Luftdruck, den Energieverbrauch und das von dem Lüfter erzeugte Geräusch. Diese Beziehungen werden durch die sogenannten "Lüfter-Affinitätsgesetze" beschrieben.
Gesetze der Lüfteraffinität
Das Luftvolumen, das vom Ventilator bewegt wird, ist proportional zur Geschwindigkeit des Ventilators.
CFM α RPM
d.h. 3 x U/min erzeugt 3 x CFM
Der Luftdruck des Ventilators ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Ventilators.
Luftdruck α RPM2
z. B. 3 x U/min erzeugt 9 x Druck
Die für den Betrieb eines Ventilators benötigte Leistung steigt mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit des Ventilators.
Leistung α RPM3
d.h. 3 x U/min erfordert 27 x Leistung
Das akustische Geräusch, das von einem Ventilator erzeugt wird, erhöht sich um 15 dB, wenn die Geschwindigkeit des Ventilators verdoppelt wird.
Eine Erhöhung des akustischen Lärms um 10 dB wird von menschlichem Gehör typischerweise als eine Verdopplung der Lärmbelastung wahrgenommen.
Abbildung 8: Diagramm der Ventilator-Affinitätsgesetze
Fazit
Mit Kenntnis des erforderlichen Luftstroms und Drucks kann der geeignete Lüfter (oder die Lüfter) ausgewählt werden, um eine angemessene Kühlung zu gewährleisten. Der Betrieb von Lüftern in Parallel- oder Serienkonfiguration bietet Designern zusätzliche Optionen, um die thermischen Anforderungen ihrer Anwendung zu erfüllen, wenn ein einzelner Lüfter möglicherweise nicht ausreicht. Die Produktlinie der DC-Axiallüfter von Same Sky bietet eine Vielzahl von Leistungsbewertungen, die Designern Flexibilität bei der Auswahl in Bezug auf Lüftergröße, Energieverbrauch, erzeugte Geräuschentwicklung und mehr ermöglichen.
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