Dobór wentylatora/dmuchawy na podstawie materiałów firmy Sunon

Dobór wentylatora/dmuchawy na podstawie materiałów firmy Sunon

Wentylator może być traktowany tak, jak pompa powietrza, która zamienia ruch wirowy i moc napędzającego ją silnika na przepływ strumienia powietrza o określonej prędkości i ciśnieniu. Do konwersji używany jest element wykonawczy w postaci śmigła. Nic bardziej oczywistego. A jak pogodzić wielkość wentylatora z ilością odprowadzanego ciepłego powietrza? Kiedy zastosować wentylator a kiedy dmuchawę? Odpowiem na to i inne  pytania korzystając z materiałów tajwańskiej firmy Sunon.


Wentylator i dmuchawa są pompami powietrza i dlatego do opisu ich pracy będą miały zastosowanie te same parametry, które charakteryzują pracę każdej pompy. W wentylatorze czy dmuchawie ruch obrotowy silnika jest zamieniany na ruch postępowy powietrza za pomocą śmigła. Na fotografii 1 pokazano typowy wentylator, a na fototografii 2 dmuchawę. Obie fotografie pokazują produkty firmy Sunon. Oczywiście, podobne produkty można znaleźć w ofertach innych producentów. Dla potrzeb tego artykułu wybrałem firmę Sunon, ponieważ wytwarza ona wyroby o bardzo dobrze udokumentowanych parametrach, z czym bywa różnie u dalekowschodnich producentów.
Podstawowa różnica pomiędzy wentylatorem a dmuchawą polega na sposobie przepływu powietrza i charakterystyce wywieranego ciśnienia. Wentylator przemieszcza powietrze w kierunku, który jest prostopadły do płaszczyzny wirowania śmigła. Może przy tym powodować znaczny jego przepływ (tabela 1), ale słabo radzi sobie przy dużej różnicy ciśnień, wydmuchując powietrze „przeciwko” wysokiemu ciśnieniu. Dmuchawa przemieszcza powietrze w kierunku, który jest równoległy do płaszczyzny wirowania, przy czym w porównaniu z wentylatorem wywołuje ona mniejszy przepływ (tabela 2). Jej zaleta jest taka, że różnica ciśnień może być duża, tzn. dmuchawa, inaczej niż wentylator, może pracować „przeciwko” dużemu ciśnieniu zewnętrznemu.

 

Fotografia 1. Wentylator

Fotografia 2. Dmuchawa

W większości aplikacji użytkownik ma do czynienia z wentylatorem w postaci śmigła przymocowanego do rotora silnika wprawiającego je w ruch wirowy. Śmigło jest otoczone niewielką osłoną, która jednocześnie ma na brzegach od dwóch do kilku otworów na śruby mocujące. Można spotkać również specjalne typy wentylatorów, osłonięte rodzajem tuby lub umieszczone wewnątrz kanału nawiewnego. Osłony te, oprócz mechanicznego zabezpieczenia wentylatora, redukują również wiry powstające na krawędziach łopatek śmigła tym samym zmniejszając hałas. Do napędzania wentylatorów i dmuchaw stosowane są silniki indukcyjne zasilane prądem przemiennym lub silniki bezszczotkowe zasilane prądem stałym.
Wentylatory i dmuchawy są produkowane jako lewoskrętne i prawoskrętne. Wentylatory oferowane produkowane przez Sunon mają minimalne napięcie zasilania 5 V DC, a maksymalne 230 V AC.

Tabela1. Parametry wybranych wentylatorów Sunon

Wymiary (mm)

Przepływ (cfm)

Wymiary (mm)

Przepływ (cfm)

Wymiary (mm)

Przepływ (cfm)

17×17×8

0,7…0,9

40×40×10

7,0…8,0

60×60×60

67,0

20×20×8

1,3…1,6

40×40×15

14,0

70×70×15

19,0…27,0

20×20×10

1,5…1,9

40×40×20

6,3…10,8

70×70×20

23,5…43,0

25×25×6

2,2…3,0

40×40×24

21,6

70×70×25

24,0…49,0

25×25×10

3,0…3,5

40×40×28

23,4

80×80×15

32,0…40,0

25×25×15

2,2…3,1

40×40×56

26,7

80×80×20

29,0…53,0

30×30×6

3,7…4,9

45×45×10

9,2…11,0

80×80×25

33,0…60,0

30×30×10

4,6…5,5

50×50×10

11,0…13,0

80×80×32

61,9

30×30×15

4,8…6,0

50×50×15

10,2…17,0

80×80×38

59,5…84,1

35×35×6

4,3…5,5

55×55×15

21,1

92×92×25

39,5…77,0

35×35×10

6,5…7,0

60×60×15

15,0…21,0

92×92×32

79,0

38×38×20

10,6…13,5

60×60×20

19,0…30,5

92×92×38

91,7…120,2

38×38×28

12,6…19,0

60×60×25

19,3…40,0

120×120×25

75,0…150,0

40×40×6

5,5…5,9

60×60×38

41,5…56,5

120×120×38

93,0…190,0

 

Tabela 2. Parametry wybranych dmuchaw firmy Sunon

Wymiary (mm)

Przepływ (cfm)

Wymiary (mm)

Przepływ (cfm)

Wymiary (mm)

Przepływ (cfm)

35×35×7

0,9

50×50×20

4,8…5,7

75×75×30

7,5…13,6

45×45×20

4,6

60×60×15

3,5…5,2

97×94×33

22,4…30,5

50×50×15

2,3…4,7

60×60×25

7,3

120×120×32

31,4…35,9

 

Łożyskowanie wirnika

Dla trwałości wentylatora kluczowe znaczenie ma sposób łożyskowania wirnika, ponieważ to jego jakość i trwałość w największym stopniu decydują o czasie życia wentylatora w aplikacji. Sunon w swoich wyrobach stosuje pewną, opatentowaną przez siebie modyfikację magnetycznego łożyskowania wirnika, nazywaną MagLev (rysunek 3). Różnica pomiędzy rozwiązaniem tradycyjnym, a stosowanym przez Sunon, polega na obniżeniu środka ciężkości rotora oraz stabilizację orbity wirnika przez zastosowanie odpowiednio ukształtowanego statora i płytki MagLev, „lewitującej” w polu magnetycznym magnesu stałego. W ten sposób uzyskuje się redukcję drgań rotora, co przekłada się wprost na znaczną redukcję hałasu.

Podstawy aerodynamiki śmigła

Na rys. 4 pokazano podstawowe parametry łopatki śmigła. Cięciwa (linia przerywana) przechodzi przez najwyżej położony punkt na krawędzi natarcia i najwyższy punkt krawędzi spływu. Kąt natarcia łopatki mierzony jest pomiędzy cięciwą a względnym kierunkiem ruchu powietrza. W związku z tym, że ten kierunek zawiera się w płaszczyźnie wirowania, to kąt będzie mierzony pomiędzy nią a cięciwą łopatki.


Typowy wentylator wykorzystuje środek pole magnetycznego, aby przyciągnąć wirnik w dół i oprzeć jego oś o panewkę. Wysoko położony środek ciężkości, nierównomierność natężenia pola magnetycznego i odchylenia centrum magnetycznego powodują drgania wirnika.

Patent firmy Sunon to płytka z materiału paramagnetycznego i specjalny stator, które oddziałując z magnesem powodują ściągnięcie wirnika na całym obwodzie w dół i oparcie jego osi o panewkę. W ten sposób obniżany jest środek ciężkości i stabilizowana orbita. W efekcie drgania rotora zostają zredukowane do minimum.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 3. Porównanie rozwiązania MagLev opatentowanego przez firmę Sunon ze stosowanym typowo

 

Jeśli kąt natarcia jest mały, to ciśnienie różnicowe (mierzone po obu stronach płaszczyzny wirowania) jest również małe. Wraz ze wzrostem kata natarcia (skutkuje to zwiększaniem grubości wentylatora), zwiększa się ciśnienie oraz maleje przepływ powietrza po obu stronach łopatki śmigła. Przepływ może się zmniejszyć do bliskiego 0. Punkt ten nazywa się punktem odcięcia.
Zwykle stosowane w elektronice wentylatory i dmuchawy mają łopatki o stałym kącie natarcia, i przy najczęściej stałej, stabilizowanej prędkości obrotowej, mają swoją ściśle określoną zdolność do przemieszczania pewnej ilości powietrza, zwaną wydajnością. Wydajność niektórych wentylatorów zależy od temperatury powietrza – mają one termistor umieszczony w strumieniu przepływającego powietrza, mierzący temperaturę i wpływający na układ regulacji obrotów.

Rys. 4. Przekrój łopatki śmigła z zaznaczonymi podstawowymi parametrami.

Wydajność wentylatora zmienia się ze zmianą gęstości powietrza. Ma to duże znaczenie, jeśli wentylator czy dmuchawa będą eksploatowane na wysokości różnej od poziomu morza. W takim przypadku wentylator przeznaczony do pracy na dużej wysokości musi mieć większą wydajność, niż ten przeznaczony do pracy na poziomie morza.

Krzywa pracy wentylatora

W związku z tym, że większość producentów wentylatorów podaje ich parametry w jednostkach obowiązujących w Stanach Zjednoczonych i Azji, to w katalogach często spotkamy się z przepływam podawanym w CFM, tj. Cubic Feet per Minute (stopa sześcienna na minutę) oraz ciśnieniem w Inches of Water, tj. calach słupa wody. Na szczęście, zależność pomiędzy stopami czy calami a metrami jest liniowa i w razie potrzeby łatwo jest zamienić jednostki. U jednego z polskich dystrybutorów firmy Sunon, a mianowicie na stronie internetowej firmy TME (www.tme.eu), dostępna jest dokumentacja techniczna wentylatorów i dmuchaw Sunon, w której krzywe wyskalowane są w jednostkach imperialnych oraz SI.
Wszystkie aerodynamiczne aspekty pracy wentylatora obrazuje krzywa zwana krzywą wentylatora. Może ona wyglądać jak na rysunku 5. Analizę rozpoczyna się od prawej strony do lewej, to jest od największego przepływu powietrza do punktu odcięcia. Łopatka wentylatora pracująca w pobliżu punktu odcięcia nadal może powodować przepływ powietrza, jednak przypomina to głośne jego „mielenie” przy jednoczesnym, dużym wydatku energetycznym.
Pole powierzchni pod krzywą reprezentuje energię wydatkowaną na funkcjonowanie wentylatora. W punkcie odcięcia wirnik ma największą energię potencjalną, natomiast w osi rzędnych – największą energię kinetyczną. Aczkolwiek nie są to warunki pracy użyteczne w zastosowaniach praktycznych, to mogą mieć zastosowanie przy porównywaniu wentylatorów.

 

Rysunek 5. Krzywa pracy wentylatora (kliknij aby powiększyć)

 
Wybór właściwego wentylatora lub dmuchawy
Szacowanie przepływu powietrza wymaganego do chłodzenia systemu

Firma Sunon podaje w swoich danych katalogowych krzywe dla każdego typu wentylatora. Pozwala to w prosty sposób dobrać wentylator do aplikacji. W praktyce inżynierskiej, konstruktorskiej, przy projektowaniu prostych systemów, wystarczające będą podane niżej wskazówki. Jeśli chłodzony system jest bardzo złożony, to niestety może okazać się, że niezbędne jest wykonanie serii pomiarów, symulacji komputerowych lub dobór wentylatora metodą prób i błędów. Nie można bowiem w prosty sposób określić właściwości termicznych obiektu, nie znając poszczególnych parametrów komponentów wchodzących w jego skład. W pewnych sytuacjach może stać się konieczne użycie np. kamery termowizyjnej.
Dla prostych systemów składających się z zasilacza i komponentów zamkniętych we wspólnej obudowie można a priori założyć, że cała dostarczana energia zamieniana jest w ciepło. Po zmierzeniu lub wyliczeniu wymagań urządzenia związanych z zasilaniem, można oszacować ilość mocy, którą musi rozproszyć system chłodzenia. Uśredniona pojemność termiczna powietrza jest równa 0,569 W×minutę×°C /ft3. Oznacza to, że każda ft3 powietrza przepływającego przez system w czasie jednej  minuty może rozproszyć 0,569 W i wywołać zmianę temperatury o 1°C. Można to wyrazić również w inny sposób: straty mocy wynoszące 1 W powodują wzrost temperatury o 1°C i aby im zapobiec przez system musi w ciągu jednej minuty musi przepłynąć 1,757 ft3 powietrza.
Po oszacowaniu strat mocy w watach i określeniu dopuszczalnego wzrostu temperatury, można przystąpić do wyboru wentylatora. I tu potrzebna jest znajomość różnicowego ciśnienia powietrza, to jest panującego wewnątrz i na zewnątrz obudowy. Jest to parametr istotny, ponieważ jak pamiętamy wentylator kiepsko radzi sobie z pracą „przeciwko” ciśnieniu. Dla przykładu manometr może wskazywać ciśnienia różnicowe 0,2 do 0,25” słupa wody, jeśli wylot wentylatora wyposażony jest w drobny filtr przeciwpyłowy. Po naniesieniu tej wielkości na wykresie typowego wentylatora powodującego przepływ około 100 cfm (np. PMD4809PMB2-A z oferty Sunon, rys. 6) okazuje się, że ta wielkość ciśnienia różnicowego redukuje przepływ aż o blisko 50%! Wymagany przepływ wylicza się jako m∙= k × P / (T0-T), gdzie: k = 1,757 cfm×°C/W; P to rozpraszana moc w W; T0-T to zmiana temperatury w °C.

Przykład doboru wentylatora lub dmuchawy do chłodzenia prostego systemu elektrycznego
W prostych kalkulacjach przyjmuje się, że system używa 70% mocy źródła napięcia zasilania. Typowo zasilacz AC/DC pracuje ze sprawnością 75%, co oznacza, że zasilacz zamienia 25% pobranej mocy na ciepło. Wentylator musi rozproszyć całe zbędne ciepło. Prześledźmy to na przykładzie.
Zgodnie z tym, co napisano wcześniej, zasilacz o mocy 400 W i sprawności 75%, dostarczający do obciążenia moc 400 W, pobierze jej o 25% więcej, tj. 1,25 × 400 W = 500 W. Zasilany system pobierze 500 W × 70% = 350 W. Załóżmy, że będzie pracował w otoczeniu o temperaturze w najgorszym przypadku równej 35°C, a temperatura powietrza wewnątrz urządzenia nie może przekroczyć 50°C. Zgodnie z podanym wyżej wyrażeniem m = 1,757 × 350 / (50 -35) = 40,99 cfm.
Teraz należy wybrać wentylator o wymaganych parametrach i zaznaczyć wyliczony przepływ na osi odciętych. Następnie określić, czy dany wentylator będzie mógł pracować przy znanym ciśnieniu różnicowym pamiętając o tym, że każda przeszkoda na drodze powietrza może je zwiększyć. I tak siatka zabezpieczająca wentylator przed drobnymi obiektami powoduje powstanie ciśnienia różnicowego o wartości 0,1…0,15”, gęsty filtr przeciwpyłowy 0,2…0,3”, natomiast kratka osłaniająca wentylator wykonana z drutu umożliwi pracę przy ciśnieniu różnicowym bliskim 0” słupa wody.

Rysunek 6. Krzywa pracy wentylatora PMD4809PMB2-A firmy Sunon

 
Niezawodność

W systemie, który jest chłodzony przy pomocy wymuszonego obiegu powietrza, wentylator jest niezmiernie ważnym elementem, ponieważ jego awaria może za sobą pociągnąć trudny do przewidzenia ciąg zdarzeń. Dlatego niezmiernie istotne stosowanie wyrobów pewnych i sprawdzonych producentów. Osobiście używałem wentylatorów Sunon i bardzo je sobie cenię, ponieważ pracują one cicho i niezawodnie. Często wentylator chłodzący przeżywa urządzenie – pracuje dobrze nawet wtedy, gdy sprzęt po latach oddawany jest do utylizacji. W ofercie Sunon można znaleźć wentylator praktycznie do każdej aplikacji: począwszy od miniaturowych o wymiarach 17×17×8 mm, aż do całkiem sporych, zapewniających przepływ blisko 200 cfm. Sposób łożyskowania jest gwarancją, że wentylator nie zawiedzie w żadnych warunkach. Firma ta jest żywym dowodem tego, że nie zawsze wyroby azjatyckich producentów są tanie i raczej kiepskiej jakości. Produkty Sunon można znaleźć w wielu sklepach z podzespołami dla elektroników, jak i w ofercie sklepów internetowych, jak chociażby wspomnianego TME.
Oczywiście oprócz opisywanych wyżej produktów można na rynku znaleźć i inne. Dobrze jest jednak pamiętać, że układy chłodzące mają kluczowe znaczenie dla pracy niektórych podzespołów, nie tylko mocy. Częstokroć usterki, których powodem jest przegrzewanie się są bardzo trudno do zlokalizowania i potrafią zmarnować wiele cennych godzin pracy konstruktora.

Jacek Bogusz
j.bogusz@easy-soft.net.pl

http://www.tomaszbogusz.blox.pl/

Dodaj nowy komentarz

Zawartość pola nie będzie udostępniana publicznie.