Cómo encontrar el ventilador DC adecuado para tu diseño
Descubra cómo encontrar el ventilador de corriente continua adecuado para su diseño en este artículo de Same Sky.
Los ventiladores axiales de CC de Same Sky ofrecen flexibilidad de diseño en tamaño del ventilador, consumo de energía, ruido y más. Con una variedad tan impresionante de opciones, es importante analizar algunos elementos críticos antes de seleccionar el ventilador de CC adecuado para su diseño. Esto incluye calcular el flujo de aire y la presión de aire de su diseño, comprender los requisitos de flujo de aire dentro de la curva de operación de un ventilador, considerar si es necesario ejecutar varios ventiladores en paralelo o en serie, y los efectos generales de la velocidad de un ventilador en su diseño. Descubra más sobre estas consideraciones y obtenga una mejor comprensión de cómo encontrar el ventilador de CC adecuado para su diseño en este artículo de Same Sky.
Parámetros importantes del flujo de aire
Antes de que se pueda especificar un ventilador para un sistema en particular, hay algunos parámetros importantes que entender en relación con el flujo de aire y la transferencia de calor. Mover aire es eficaz para enfriar objetos al absorber el calor del objeto y luego transferir ese calor a otro lugar para disiparlo. La cantidad de energía transferida depende de la masa del aire en movimiento, el calor específico del aire en movimiento y el cambio de temperatura impartido al aire en movimiento.
Energía = Masa * Calor Específico * Aumento de Temperatura
La masa del aire en movimiento se puede calcular a partir del volumen de aire que se desplaza y la densidad del aire en movimiento.
Masa = Volumen * Densidad
Sustituir la segunda ecuación en la primera relaciona la energía disipada con el volumen de aire involucrado.
Energía = (Volumen * Densidad) * Calor Específico * Incremento de Temperatura
Dividir ambos lados de la ecuación por el tiempo produce la siguiente forma de la ecuación.
Potencia = (Volumen/Tiempo) * Densidad * Calor Específico * Incremento de Temperatura
En la mayoría de las aplicaciones, la potencia excedente (ineficiencia del sistema) es conocida y el flujo de aire (volumen/tiempo) es desconocido. Por lo tanto, la ecuación se puede organizar como se muestra a continuación.
Flujo de aire = Potencia/(Densidad * Calor específico * Aumento de temperatura)
Como se mencionó en nuestro artículo anterior del blog, esta ecuación se escribe comúnmente como:
Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k Donde Q = flujo de aire q = calor a disipar ρ = densidad del aire Cp = calor específico del aire ΔT = aumento de temperatura del aire al absorber el calor que se debe disipar k = un valor constante, dependiente de las unidades utilizadas en los otros parámetros
La densidad del aire seco al nivel del mar a 68°F (20°C) es de 0.075 lbs/ft3 (1.20 kg/m3) y el calor específico del aire seco es de 0.24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C). Usando estos valores de densidad y calor específico, la ecuación anterior se simplifica a:
```html Qf = 3.2q/ΔTF Qf = 1.8q/ΔTC Qm = 0.09q/ΔTF Qm = 0.05q/ΔTC Dónde Qf = flujo de aire en Pies Cúbicos por Minuto (CFM) Qm = flujo de aire en Metros Cúbicos por Minuto (CMM) q = calor a disipar en Vatios ΔTF = la temperatura a la que se eleva el aire al absorber el calor a disipar en °F ΔTC = la temperatura a la que se eleva el aire al absorber el calor a disipar en °C ```
Presión del aire
Las ecuaciones anteriores establecen la tasa de flujo de aire requerida para enfriar un producto. También es necesario conocer la presión a la cual el flujo de aire debe ser entregado por el ventilador. El recorrido del flujo de aire a través del producto que se va a enfriar creará una resistencia al flujo de aire. Los ventiladores deben seleccionarse para producir suficiente presión que permita forzar el volumen requerido de aire a través del producto y lograr el enfriamiento deseado. Calcular la presión requerida será una tarea independiente para cada producto único y no puede simplificarse de manera similar a los cálculos de la tasa de flujo. Existen muchos productos CAD disponibles para calcular las características de presión de aire y flujo de aire de un diseño, mientras que los anemómetros y manómetros pueden utilizarse para medir la velocidad y las características de presión del aire una vez que se haya completado el diseño.
Figura 1: Caracterización y representación gráfica del flujo de aire frente a la presión
Lograr el flujo de aire y presión requeridos
Basándose en los conceptos de las dos secciones anteriores, un caudal de aire y una presión de aire deben ser generados por el ventilador (o los ventiladores) para proporcionar la refrigeración requerida. Las hojas de datos de los fabricantes de ventiladores ofrecerán un valor de caudal de aire sin presión de fondo, un valor de presión máxima sin caudal de aire, y una curva del caudal de aire frente a la presión disponible del ventilador. Tomemos como ejemplo un producto cuyas necesidades de flujo de aire han sido calculadas para ser de 10 CFM o más, basándose en el calor que debe disiparse y los límites de temperatura del aire. El diseño mecánico del producto se ha caracterizado para producir el gráfico de caudal de aire frente a presión mostrado en la Figura 2. La línea discontinua indica el flujo de aire mínimo requerido para el producto (un flujo de aire mayor también es aceptable), mientras que la curva naranja representa la relación entre presión y flujo de aire para el diseño mecánico del producto.
Figura 2: Requisitos del sistema, flujo de aire versus presión estática
Basándose en las curvas de la Figura 2, se ha seleccionado el ventilador axial de corriente continua CFM-6025V-131-167 de Same Sky para el proyecto. La hoja de especificaciones del ventilador de corriente continua indica un flujo de aire de 16 CFM sin presión de retorno, una presión estática de 0.1 inH2O sin flujo de aire, y también proporciona el gráfico en la Figura 3.
Figura 3: Gráfico de rendimiento del CFM-6025V-131-167 de Same Sky
Superponer los requisitos del sistema del Figura 2 sobre las características del ventilador de cc del Figura 3 produce el gráfico en el Figura 4.
Figura 4: Requisitos del sistema y rendimiento del ventilador
El punto de operación destacado por el círculo rojo en la figura 4 indica la presión y el flujo de aire del sistema con el ventilador seleccionado. Cabe señalar que se calculó que el requisito de flujo de aire es de 10 CFM y el ventilador proporcionará 11.5 CFM de flujo de aire. Para algunas aplicaciones, esto será un margen térmico operativo suficiente, mientras que en otras aplicaciones esta solución puede no ofrecer un margen suficiente.
Operar ventiladores en paralelo o en serie
En general, los ventiladores más grandes o más rápidos proporcionarán un mayor flujo de aire máximo y una mayor presión máxima. Si un solo ventilador no puede suministrar el flujo de aire o la presión requerida, entonces se pueden operar dos o más ventiladores físicamente en paralelo o en serie. Operar ventiladores en paralelo aumentará el flujo de aire máximo disponible, pero no aumentará la presión máxima, mientras que operar ventiladores en serie aumentará la presión máxima disponible, pero no aumentará el flujo de aire máximo disponible.
Figura 5: Operación de múltiples ventiladores en serie o en paralelo
La curva de rendimiento para operar múltiples ventiladores en paralelo puede ser fácilmente generada por el usuario. La curva combinada de flujo de aire del ventilador frente a la presión para múltiples ventiladores operados en paralelo es idéntica al gráfico de un solo ventilador, con el único cambio de que los valores de flujo de aire se multiplican por el número de ventiladores operados en paralelo.
Figura 6: Operar ventiladores en paralelo multiplica el flujo de aire por el número de ventiladores
La curva de rendimiento para operar múltiples ventiladores en serie se puede generar de manera similar, con los valores de presión modificados según el número de ventiladores en serie. En última instancia, múltiples ventiladores en paralelo ofrecen la mayor mejora para sistemas de alto flujo de aire y baja presión, mientras que múltiples ventiladores en serie ofrecen la mayor mejora para sistemas de alta presión y bajo flujo de aire.
Figura 7: Múltiples ventiladores en sistemas con alta y baja resistencia al flujo de aire
Efectos de la velocidad del ventilador
La velocidad del ventilador (RPM) puede determinarse mediante la selección inicial del ventilador o por una señal de control del ventilador. Cambiar la velocidad del ventilador afectará el volumen de aire, la presión del aire, la potencia consumida y el ruido acústico producido por el ventilador. Estas relaciones se describen por lo que se denominan las "leyes de afinidad del ventilador".
Leyes de afinidad de ventiladores
El volumen de aire movido por el ventilador es proporcional a la velocidad del ventilador.
CFM α RPM
es decir, 3 x RPM produce 3 x CFM
La presión del aire del ventilador es proporcional al cuadrado de la velocidad del ventilador.
Presión de aire α RPM2
es decir, 3 x RPM produce 9 x presión
La potencia requerida para operar un ventilador aumenta al cubo de la velocidad del ventilador.
Potencia α RPM3
es decir, 3 x RPM requiere 27 x potencia
El ruido acústico producido por un ventilador aumentará en 15 dB cuando se doble la velocidad del ventilador.
Un aumento de 10 dB en el ruido acústico suele ser percibido por el oído humano como una duplicación del nivel de ruido.
Figura 8: Gráfico de las leyes de afinidad de los ventiladores
Conclusión
Con conocimiento del flujo de aire y la presión requeridos, se puede seleccionar el ventilador (o ventiladores) adecuado para proporcionar una refrigeración adecuada. Operar ventiladores en paralelo o en serie ofrece a los diseñadores opciones adicionales para cumplir con los requisitos térmicos de su aplicación cuando un solo ventilador puede no ser suficiente. La línea de ventiladores axiales de corriente continua de Same Sky presenta una variedad de clasificaciones de rendimiento, lo que brinda a los diseñadores flexibilidad al elegir entre el tamaño del ventilador, la energía consumida, el ruido audible producido y más.
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