Belangrijke parameters voor het optimaliseren van een gelijkstroomventilator

Gelijkstroomventilatoren vormen een onderdeel van elke oplossing voor warmtebeheer en zijn bedoeld om door middel van geforceerde luchtkoeling warmte van een toepassing af te voeren. Hoewel gelijkstroomventilatoren algemeen bekend en direct als zodanig herkenbaar zijn, is er nog altijd een elementaire kennis nodig van de luchtstroom en andere belangrijke parameters om ervoor te zorgen dat de gekozen ventilator de beste is voor een bepaald systeem. Voor een beter begrip hiervan worden in dit artikel de berekeningen van de juiste luchtstroming en luchtdruk besproken, waarbij die parameters afgeleid worden uit de werkkromme, de gevolgen van het toepassen van meerdere ventilatoren enzovoort.

Een overzicht van de parameters voor luchtstroming

Voordat de specificaties van een ventilator kunnen worden opgesteld, is het belangrijk de verschillende parameters voor de luchtstroming en de warmteoverdracht te begrijpen. Bij geforceerde luchtstroming wordt hitte vanaf een voorwerp opgenomen en naar elders gevoerd waar die wordt afgevoerd. De hoeveelheid overgedragen energie is afhankelijk van de massa, de soortelijke warmte en de temperatuurtoename in de geforceerde luchtstroming.

De massa van de verplaatste lucht wordt berekend aan de hand van het volume en de soortelijke massa van de verplaatste lucht.

De relatie tussen de afgevoerde energie en het luchtvolume wordt bepaald door substitutie van de tweede vergelijking in de eerste.

De volgende vergelijking wordt bereikt door vervolgens beide kanten door de tijd te delen.

Over het algemeen is het extra vermogen bekend en de luchtstroom (volume / tijd) onbekend, zodat de vergelijking als volgt kan worden herschreven:

Deze vergelijking wordt meer algemeen geschreven als:

met
Q = luchtstroming
q = af te voeren warmte
ρ = soortelijke massa van de lucht
Cp = specifieke warmte van de lucht
ΔT = de temperatuurtoename van de lucht door de af te voeren warmte
k = een constante, afhankelijk van de in de overige parameters gebruikte eenheden

De soortelijke massa van droge lucht op zeeniveau bij 20 °C is 1,20 kg/m³, de specifieke warmte van droge lucht is 1 kJ/kg °C. Door deze waardes in bovenstaand vergelijking te substitueren, krijgen we:

met
Qf = luchtstroming in voet³/min
Qm = luchtstroming in m³/min
q = af te voeren warmte in watt
ΔTF = de temperatuurverhoging van de lucht aan het warme oppervlak in °F
ΔTC = de temperatuurverhoging van de lucht aan het warme oppervlak in °C

Eisen aan luchtdruk

Hoewel bovenstaande vergelijkingen de benodigde luchtstroming voor voldoende koeling bepalen, moet ook de door de ventilator geproduceerde luchtdruk worden berekend. Het door de luchtstroming in een systeem afgelegde pad creëert een luchtweerstand, zodat de ventilator voldoende druk moet produceren om de gespecificeerde hoeveelheid lucht door het systeem te duwen om voor voldoende koeling te zorgen. Maar elk systeem heeft zijn eigen unieke eisen qua luchtdruk, zodat dit aspect niet tot een vergelijking kan worden vereenvoudigd zoals hierboven met de luchtstroming. Gelukkig zijn er veel CAD-toepassingen om in de ontwerpfase de luchtdruk en luchtstroming te modelleren. Nadat het ontwerp klaar is, kunnen anemometers en manometers worden gebruikt om deze eigenschappen nader te meten.

Afbeelding 1: Modelleren van luchtstroming en luchtdruk (Afbeelding: Same Sky)

Eisen aan luchtstroming en luchtdruk bepalen

Zoals hierboven beschreven moeten een zekere luchtstroming en luchtdruk worden geproduceerd door een of meerdere ventilatoren om de vereiste koeling te bereiken. Fabrikanten verstrekken de volgende informatie op hun gegevensbladen: luchtstroming zonder tegendruk, maximale druk zonder luchtstroming en de kromme van luchtstroming als functie van luchtdruk.

In dit voorbeeld was berekend dat voor een product een luchtstroming van minimaal 10 voet³/min nodig was op basis van de af te voeren warmte en de limieten voor luchttemperatuur, waarbij het mechanische ontwerp de onderstaande grafiek van luchtstroming als functie van luchtdruk opleverde (Afbeelding 2). De streepjeslijn geeft de minimaal vereiste luchtstroming aan, terwijl de oranje curve de luchtstroming als functie van de luchtdruk aangeeft.

Afbeelding 2: Grafiek met minimaal vereiste luchtstroming als functie van luchtdruk (Afbeelding: Same Sky)

Op basis van bovenstaande grafiek is de axiale gelijkstroomventilator CFM-6025V-131-167 van Same Sky gekozen. Het gegevensblad hiervan vermeldt een luchtstroming van 16 voet³/min zonder tegendruk, een statische druk van 0,1 inch H₂O zonder luchtstroming en met de prestaties volgens onderstaande grafiek (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Grafiek van de prestaties van de CFM-6025V-131-167 van Same Sky (Afbeelding: Same Sky)

De grafiek van Afbeelding 3 kan over die van Afbeelding 2 worden gelegd, wat resulteert in de grafiek van Afbeelding 4 met daarin het werkpunt van de gekozen ventilator aangegeven. Het is belangrijk op te merken, dat, hoewel het werkpunt van 11,5 voet³/min hoger is dan de vereiste 10 voet³/min, bepaalde toepassingen een grotere temperatuurmarge vereisen. Daarom zou een ventilator met andere specificaties moeten worden geselecteerd.

Afbeelding 4: Werkpunt van de ventilator met een rode cirkel aangegeven (Afbeelding: Same Sky)

Meerdere ventilatoren toepassen

Grotere ventilatoren of ventilatoren met een hoger toerental leveren in het algemeen een grotere luchtstroming en luchtdruk op. Maar als één ventilator het werk niet aankan, dan kunnen meerdere ventilatoren parallel of in serie worden geplaatst om bepaalde prestaties te verbeteren. Parallel geplaatste ventilatoren vergroten bijvoorbeeld de maximale luchtstroming, maar niet de maximale luchtdruk, terwijl in serie geplaatste ventilatoren de maximale luchtdruk vergroten, maar niet de maximale luchtstroming.

Afbeelding 5: Eén ventilator tegenover in parallel of in serie geplaatste ventilatoren (Afbeelding: Same Sky)

De grafiek voor luchtstroming tegenover luchtdruk voor parallel of in serie geplaatste ventilatoren is identiek aan die van één ventilator, maar de waardes voor luchtstroming of luchtdruk zijn respectievelijk met het aantal parallel of in serie geplaatste ventilatoren vermenigvuldigd. Afbeelding 6 hieronder geeft een praktijkvoorbeeld waarin de waardes met het aantal parallel geschakelde ventilatoren zijn vermenigvuldigd.

Afbeelding 6: Vermenigvuldig de luchtstroming met het aantal parallel geplaatste ventilatoren of de luchtdruk met het aantal in serie geplaatste ventilatoren. (Afbeelding: Same Sky)

Parallel geplaatste ventilatoren zijn ideaal voor toepassingen met hoge luchtstroming en lage luchtdruk, terwijl in serie geplaatste ventilatoren ideaal zijn voor toepassingen met hoge luchtdruk en lage luchtstroming,

Afbeelding 7: Grafiek met vergelijking prestaties van ventilatoren bij hoge en lage luchtweerstand (Afbeelding:  Same Sky)

Toerental en omgevingsfactoren van ventilatoren

Het toerental van een ventilator (tpm, toeren per minuut) is van invloed op de hoeveelheid lucht, de luchtdruk, het opgenomen vermogen en het geluid dat de ventilator voortbrengt. Deze verbanden worden door de 'ventilatorwetten' aangegeven:

• Het door de ventilator verplaatste volume lucht is evenredig met het toerental.
  • m³/min α tpm
    • Voorbeeld: Bij een vier keer zo hoog toerental wordt vier keer zoveel lucht verplaatst
• De door de ventilator geproduceerde luchtdruk is evenredig met het kwadraat van het toerental.
  • Luchtdruk α tpm²
    • Voorbeeld: Bij een twee keer zo hoog toerental wordt een vier keer zo grote luchtdruk geproduceerd
• Het door de ventilator opgenomen vermogen is evenredig met de derde macht van het toerental.
  • Vermogen α tpm³
    • Voorbeeld: Bij een vier keer zo hoog toerental wordt een 64 keer zo hoog vermogen verbruikt
• Het door een ventilator geproduceerde geluid wordt 15 dB hoger wanneer het toerental wordt verdubbeld.
  • Voorbeeld: Een verhoging van 10 dB in het geproduceerde geluid wordt door het menselijk oor als een verdubbeling van het geluid ervaren.

Afbeelding 8: Ventilatorwetten (Afbeelding: Same Sky)

Conclusie

Een elementair begrip van de vereisten voor luchtstroming en luchtdruk, zoals in dit artikel aangegeven, kan ontwerpers helpen de juiste ventilator(en) te kiezen om de geforceerde koeling van hun toepassing te verzorgen. Als één ventilator de bekerende luchtstroming of luchtdruk niet kan leveren, dan kan het parallel of in serie plaatsen van ventilatoren extra oplossingen bieden. Het assortiment gelijkstroomventilatoren van Same Sky is er voor allerlei luchtstromingen, luchtdrukken en andere parameters, zodat het vinden van de juiste ventilator een fluitje van een cent is.