Viktiga parametrar för att optimera DC-fläktsystem

DC-fläkten, en standardkomponent i varje värmehanteringslösning, är utformad för att avlägsna värme genom effektiv luftcirkulation. DC-fläkten är en vanlig och välkänd komponent, men för att säkerställa att en viss fläkt är optimal för systembehoven krävs det vissa grundläggande kunskaper om luftflöden och andra parametrar. I den här artikeln, som kanske kan öka dina kunskaper, visar vi hur luftflöden och lufttryck beräknas, hur sådana parametrar kan anpassas utifrån fläktkurvan, möjligheten att använda flera pumpar i samma system och så vidare.

En översikt över luftflödesparametrar

Innan fläkten specificeras är det viktigt ha kunskaper om ett antal luftflödes- och värmeöverföringsparametrar. Principen för luftkylning är att värme absorberas från ett föremål för att sedan flyttas till någon annan plats, där värmen släpps ut eller ”skingras”. Den mängd energi som förflyttas beror på cirkulationsluftens massa, specifika värmetal och temperaturförändring.

Cirkulationsluftens massa beräknas baserat på volymen och densiteten för den luft som förflyttas.

Sätts beräkning 2 in i beräkning 1, relateras den avgivna energin till luftvolymen.

Sedan divideras båda sidorna med tiden, vilket ger följande beräkning.

Normalt är effekten känd och luftflödet (volym/tid) okänt, vilket innebär att beräkningen kan göras om till:

Beräkningen brukar skrivas så här:

Där
Q = luftflöde
q = värme som ska bortföras
ρ = luftens densitet
Cp = luftens specifika värmetal
ΔT = luftens temperaturökning när den absorberar den värme som ska bortföras
k = en konstant som beror på vilka enheter som används i andra parametrar

Densiteten för torr luft vid havsnivån och temperaturen 68 °F (20 °C) är 0,075 lbs/ft3 (1,20 kg/m3). Det specifika värmetalet för torr luft är 0,24 Btu/lb °F (1 kJ/kg °C). Med dessa värden förenklas ovanstående beräkning till:

Där
Qf = luftflöde i kubikfot per minut (CFM)
Qm = luftflöde i kubikmeter per minut (CMM)
q = värme att bortföra, i watt
ΔTF = luftens temperaturökning i °F när den absorberar värme som ska bortföras
ΔTC = luftens temperaturökning i °C när den absorberar värme som ska bortföras

Lufttryckskrav

Ovanstående beräkningar används för att ta reda på vilket luftflöde som krävs för att uppnå erforderlig kylning. Men man måste också beräkna fläktens levererade lufttryck. Luftflödet genom ett system ger upphov till ett luftflödesmotstånd, vilket betyder att fläktarna måste kunna leverera ett så stort tryck att den aktuella luftvolymen tvingas vidare genom systemet, så att rätt kylning uppnås. Eftersom varje system har unika tryckkrav går det inte att förenkla beräkningarna på samma sätt som ovan. Som tur är finns det många CAD-produkter som kan användas för att modellera lufttrycket och luftflödets egenskaper under designfasen. När designen är klar kan anemometrar och manometrar användas för att mäta egenskaperna.

Figur 1: Modellering av luftflöde och lufttryck (bildkälla: Same Sky)

Krav för luftflöde och lufttryck

En fläkt (eller flera fläktar i ett system) måste, så som har beskrivits ovan, leverera ett visst luftflöde och ett visst lufttryck för att ge önskad kylning. På tillverkarnas datablad anges följande: luftflöde utan mottryck, maximalt tryck utan luftflöde samt fläktkurvan (förhållandet luftflöde-tryck).

I det här exemplet beräknades att en produkt behövde ett luftflöde på minst 10 CFM, baserat på lufttemperaturgränserna och den värme som måste bortföras. Produktens mekaniska design genererade följande kurva för förhållandet luftflöde-tryck (figur 2). Den streckade linjen representerar minsta nödvändiga luftflöde. Den brandgula kurvan illustrerar förhållandet mellan luftflöde och tryck.

Figur 2: Minsta erforderliga luftflöde utritat i luftflödes-tryckkurvan (bildkälla: Same Sky)

Baserat på diagrammet ovan har Same Sky DC-axialfläkt CFM-6025V-131-167 valts. I fläktens datablad anges luftflödet 16 CFM utan mottryck, ett statiskt tryck på 0,1 inH₂O utan luftflöde och följande fläktkurva (figur 3).

Figur 3: Kapacitetskurva för Same Sky CFM-6025V-131-167 (bildkälla: Same Sky)

Kurvan i figur 3 kan läggas över kurvan i figur 2, vilket resulterar i figur 4, där den valda fläktens driftpunkt är markerad. Driftpunkten vid 11,5 CFM överskrider luftflödeskravet 10 CFM i det här exemplet, men det är viktigt att komma ihåg att det i vissa tillämpningar krävs större marginal. Därför kanske man måste välja en fläkt med andra kapacitetsspecifikationer.

Figur 4: Den röda cirkeln markerar fläktens driftpunkt (bildkälla: Same Sky)

Designa och driva system med flera fläktar

Större eller snabbare fläktar erbjuder vanligen ett större maximalt luftflöde och tryck. Men om en enda fläkt inte har kapacitet för uppgiften kan flera fläktar användas parallellt eller i serie, för att öka vissa kapacitetsparametrar. Till exempel kan parallellkopplade fläktar öka det maximala luftflödet men inte det maximala trycket, medan seriekopplade fläktar kan öka det maximala trycket men inte det maximala luftflödet.

Figur 5: En fläkt, parallellt inkopplade fläktar och seriellt inkopplade fläktar. (Bildkälla: Same Sky)

Kapacitetskurvan (förhållandet luftflöde-tryck) för ett system av parallella fläktar eller seriella fläktar är identisk med kapacitetskurvan för en enda fläkt, med skillnaden att luftflödes- eller tryckvärdena multipliceras med antalet seriellt eller parallellt inkopplade fläktar. Detta framgår av figur 6 nedan, där luftflödesvärdena multipliceras med antalet parallellt inkopplade fläktar.

Figur 6: Multiplicera luftflödet med antalet parallellt inkopplade fläktar, eller trycket med antalet seriellt inkopplade fläktar. (Bildkälla: Same Sky)

Generellt är system med parallella fläktar lämpliga för tillämpningar med större luftflöden och lågt tryck, medan system med seriellt inkopplade fläktar är bättre lämpade för mindre luftflöden och högt tryck.

Figur 7: Jämförelse av fläktkapacitet vid högt och lågt luftflödesmotstånd (bildkälla: Same Sky)

Fläktvarvtal och fläktlagarna

Fläktvarvtalet (RPM) påverkar luftvolymen, lufttrycket, effektförbrukningen och fläktens bullernivå. Förhållandena beskrivs av de s.k. affinitetslagarna för fläktar:

• Den luftvolym som fläkten förflyttar är proportionell mot fläktvarvtalet.
  • CFM α RPM
    • Exempel: 4 x RPM ger 4 x CFM
• Lufttrycket från fläkten är proportionellt mot fläktvarvtalet i kvadrat.
  • Lufttryck α RPM²
    • Exempel: 2 x RPM ger 4 x tryck
• Erforderlig effekt för att driva en fläkt ökar med fläktvarvtalet i kubik.
  • Effekt α RPM³
    • Exempel: för 4 x RPM krävs 64 x effekten
• Det ljud som en fläkt avger ökar med 15 dB när fläktvarvtalet fördubblas.
  • Exempel: 10 dB ökning av ljudet uppfattas (av människor) som en fördubbling av ljudnivån.

Figur 8: Affinitetslagar för fläktar (bildkälla: Same Sky)

Slutsats

Grundläggande förståelse av luftflödes- och tryckkrav, det vill säga det som beskrivs i den här artikeln, kan hjälpa konstruktörer att välja en fläkt (eller flera fläktar) som uppfyller tillämpningens ventilationsbehov. Om en enda fläkt inte kan uppfylla de beräknade flödes- och tryckbehoven, kan flera fläktar kopplas in seriellt eller parallellt, vilket ger fler alternativ. Same Sky breda portfölj av DC-fläktar – för olika luftflöden tryck och kapacitet – gör det enkelt att hitta en optimal fläktlösning.