Как влияет плотность воздуха на работу вентилятора
Обновлено: 02.05.2024
В статье рассматриваются особенности выбора оптимального кулера, включая расчет параметров воздушного потока и давления воздуха, предлагается алгоритм выбора кулера в соответствии с требованиями, предъявляемыми к воздушному потоку, выполняется анализ эффективности параллельной или последовательной работы кулеров, а также рассказывается о влиянии скорости вращения на производительность вентилятора
В течение многих лет кулеры оставались идеальным инструментом для поддержания требуемого температурного режима, обеспечивая эффективное охлаждение компонентов, выделяющих тепловую мощность от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Оптимальный кулер должен создавать воздушный поток, способный обеспечить требуемый уровень охлаждения системы. В настоящей статье рассматриваются особенности выбора оптимального кулера, включая расчет параметров воздушного потока и давления воздуха, предлагается алгоритм выбора кулера в соответствии с требованиями, предъявляемыми к воздушному потоку, выполняется анализ эффективности параллельной или последовательной работы кулеров, а также рассказывается о влиянии скорости вращения на производительность вентилятора.
Важнейшие параметры воздушного потока
Прежде чем приступать к выбору вентилятора, необходимо определиться с параметрами требуемого воздушного потока. Движущийся воздух эффективно охлаждает объекты. Он поглощает тепло, генерируемое объектами и затем рассеивает его в окружающем пространстве. Количество передаваемой энергии зависит от массы воздушного потока, удельной теплоты воздуха и изменения температуры воздуха в процессе передачи тепла.
Энергия = масса * удельная теплоемкость * повышение температуры
Массу движущегося воздуха можно рассчитать, зная объем воздушного потока и плотность воздуха.
Масса = Объем * Плотность
Подстановка второго уравнения в первое связывает рассеиваемую энергию с потоком воздуха:
Энергия = (Объем * Плотность) * Удельная теплоемкость * Повышение температуры
Разделив обе части уравнения на время, можно получить следующую формулу:
Мощность = (Объем / Время) * Плотность * Удельная теплоемкость * Повышение температуры
В большинстве случаев тепловая энергия, выделяемая системой, известна (рассчитывается из значения КПД), а поток воздуха (объем/ время) оказывается неизвестен. По этой причине последнее уравнение следует переписать следующим образом.
Поток воздуха = мощность/ (плотность * удельная теплоемкость * повышение температуры)
Используя общепринятые обозначения, запишем эту формулу в более привычном виде:
Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k
- Q = воздушный поток
- q = рассеиваемое тепло
- ρ = плотность воздуха
- Cp = удельная теплоемкость воздуха
- ΔT = повышение температуры воздуха при поглощении рассеиваемого тепла
- k = константа, зависящая от единиц измерения, используемых в других параметрах
Плотность сухого воздуха на уровне моря при 20 °C составляет 1,20 кг/м 3 (0,075 фунта/фут 3 ), а удельная теплоемкость сухого воздуха составляет 1 кДж/кг°C (0,24 БТЕ/фунт°F). Используя эти значения для плотности и удельной теплоемкости, можно упростить исходное уравнение следующим образом:
Qf = поток воздуха в кубических футах в минуту (CFM)
Qm = поток воздуха в кубических метрах в минуту (CMM)
q = рассеиваемое тепло (Вт) тепло
ΔTF = повышение температуры воздуха при поглощении рассеиваемого тепла (°F)
ΔTC = повышение температуры воздуха при поглощении рассеиваемого тепла (°C)
Давление воздуха
Приведенные выше уравнения позволяют рассчитать скорость воздушного потока, который необходимо создать для охлаждения объекта. Кроме того, разработчик должен определить давление, при котором поток воздуха будет нагнетаться вентилятором. Дело в том, что при прохождении внутри системы поток воздуха будет неизбежно сталкиваться с сопротивлением. Для того чтобы обеспечить продувку воздуха через систему и гарантировать охлаждение нагретых объектов, вентилятор должен создавать достаточное давление. Расчет давления воздушного потока является уникальной задачей для каждого конкретного приложения и для ее решения не существует универсальных формул. Многие САПР позволяют рассчитать давление воздуха и характеристики воздушного потока при проектировании. Однако после создания прототипов следует проверить результаты на практике с помощью анемометров и манометров.
Рис. 1. Визуальное отображение распределения температуры и воздушного потока (слева). Зависимость давления от воздушного потока (справа)
Обеспечение требуемого воздушного потока и давления
Подводя итог сказанному в предыдущих пунктах, можно еще раз отметить, что для обеспечения требуемого охлаждения вентилятор (или набор из нескольких вентиляторов) должен создавать воздушный поток с определенной скоростью и давлением воздуха. В документации на кулеры производители обычно приводят значение максимальной скорости воздушного потока (при отсутствии сопротивления), значение максимального давления (при нулевом потоке воздуха) и кривую зависимости воздушного потока от давления. Рассмотрим пример системы, которой для нормального охлаждения требуется воздушный поток 10 CFM или более. Допустим, что механическая конструкция системы имеет определенную зависимость давления от потока воздуха, представленную на рис. 2 (оранжевая кривая). На этом рисунке пунктирная линия обозначает минимальный допустимый поток воздуха, необходимый для охлаждения системы (также допустим больший поток воздуха).
Рис. 2. Системные требования. Зависимость статического давления от потока воздуха
С учетом предложенной зависимости давления от потока (рис. 2) для проекта был выбран осевой вентилятор CFM-6025V-131-167 от CUI Devices. В документации на этот вентилятор указано максимальное значение потока воздуха 16 CFM (при отсутствии сопротивления), статическое давление 0,1 inH2O (без потока воздуха), а также график зависимости давления от потока воздуха (рис. 3).
Рис. 3. График производительности вентилятора CFM-6025V-131-167от CUI Devices
На рис. 4 график системных требований (рис. 2) совмещен с графиком производительности выбранного вентилятора (рис. 3).
Рис. 4. Системные требования и производительность вентилятора
На рис. 4 красным кружком выделена рабочая точка, по которой можно определить рабочие значения потока и давления в установившемся режиме. Следует отметить, что потребность системы в воздушном потоке составляла 10 CFM, а вентилятор обеспечивает 11,5 CFM. Для некоторых приложений такого запаса будет вполне достаточно, а для некоторых приложений запас должен быть больше.
Параллельная и последовательная работа нескольких вентиляторов
В общем случае, чем больше и быстрее будет вентилятор, тем выше будет создаваемый им поток воздуха и больше давление. Однако, если один вентилятор не может обеспечить требуемый поток воздуха или давление, то следует использовать два или более вентиляторов, работающих последовательно или параллельно. При параллельной работе вентиляторов возрастает поток воздуха, но максимальное давление остается тем же. При последовательной работе вентиляторов, наоборот, возрастает максимальное давление, а максимальный поток воздуха остается без изменения (рис.5).
Рис. 5. Параллельная и последовательная работа нескольких вентиляторов
Кривая зависимости давления от потока при параллельной работе нескольких вентиляторов может быть легко получена из исходной кривой производительности одного вентилятора. При параллельной работе нескольких вентиляторов скорость потока увеличивается кратно числу кулеров.
Рис. 6. При параллельной работе нескольких вентиляторов поток воздуха кратно возрастает
Кривая производительности при последовательной работе нескольких вентиляторов может быть получена аналогичным образом, с той лишь разницей, что при последовательной работе увеличивается давление (кратно числу кулеров). В конечном счете, использование нескольких параллельных вентиляторов будет оптимальным выбором для систем, отличающихся низким сопротивлением и требующих высокого воздушного потока. В то время как несколько последовательных вентиляторов обеспечат большую эффективность в системах, отличающихся высоким сопротивлением и, соответственно, требующих высокого давления потока воздуха.
Рис. 7. Использование нескольких вентиляторов в системах с высоким и низким сопротивлением воздушному потоку
Влияние скорости вращения вентилятора
Законы вентиляторов (Fan Affinity Laws)
- Объем воздуха, перемещаемого вентилятором, пропорционален скорости вращения вентилятора.
- CFM α RPM
- Например, увеличение 3 x об / мин дает 3 x CFM
- Давление воздуха α об / мин 2
- Например, увеличение 3 x об / мин дает 9 x давление
- Мощность α об / мин 3
- Например, увеличение 3 x об / мин требует 27-кратногоувеличения мощности
- Увеличение акустического шума на 10 дБ обычно воспринимается человеческим слухом как удвоение уровня шума.
![Наглядная демонстрация законов аэродинамики вентиляторо]()
Рис. 8. Наглядная демонстрация законов аэродинамики вентиляторов
Заключение
Для выбора подходящего вентилятора (или вентиляторов) необходимо определить требуемый поток воздуха и его давление. Параллельная или последовательная работа нескольких кулеров может потребоваться в тех случаях, когда производительности одного вентилятора не хватает для охлаждения системы. Компания CUI Devices предлагает богатый выбор осевых вентиляторов с различными характеристиками, что позволяет разработчикам гибко подбирать размер вентилятора с учетом потребляемой мощности, акустического шума и других параметров.
![Свойства воздуха: плотность воздуха, вязкость, энтропия, удельная теплоемкость воздуха]()
Рассмотрены основные физические свойства воздуха: плотность воздуха, его динамическая и кинематическая вязкость, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля и энтропия. Свойства воздуха даны в таблицах в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.
Плотность воздуха в зависимости от температуры
Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении. Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа. Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.
На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах, удобно воспользоваться готовыми таблицами. Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры. Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).
Плотность воздуха в зависимости от температуры — таблица
t, °С ρ, кг/м 3 t, °С ρ, кг/м 3 t, °С ρ, кг/м 3 t, °С ρ, кг/м 3 -50 1,584 20 1,205 150 0,835 600 0,404 -45 1,549 30 1,165 160 0,815 650 0,383 -40 1,515 40 1,128 170 0,797 700 0,362 -35 1,484 50 1,093 180 0,779 750 0,346 -30 1,453 60 1,06 190 0,763 800 0,329 -25 1,424 70 1,029 200 0,746 850 0,315 -20 1,395 80 1 250 0,674 900 0,301 -15 1,369 90 0,972 300 0,615 950 0,289 -10 1,342 100 0,946 350 0,566 1000 0,277 -5 1,318 110 0,922 400 0,524 1050 0,267 0 1,293 120 0,898 450 0,49 1100 0,257 10 1,247 130 0,876 500 0,456 1150 0,248 15 1,226 140 0,854 550 0,43 1200 0,239 При 25°С воздух имеет плотность 1,185 кг/м 3 . При нагревании плотность воздуха снижается — воздух расширяется (его удельный объем увеличивается). С ростом температуры, например до 1200°С, достигается очень низкая плотность воздуха, равная 0,239 кг/м 3 , что в 5 раз меньше ее значения при комнатной температуре. В общем случае, снижение плотности газов при нагреве позволяет проходить такому процессу, как естественная конвекция и применяется, например, в воздухоплавании.
Если сравнить плотность воздуха относительно плотности воды, то воздух легче на три порядка — при температуре 4°С плотность воды равна 1000 кг/м 3 , а плотность воздуха составляет 1,27 кг/м 3 . Необходимо также отметить значение плотности воздуха при нормальных условиях. Нормальными условиями для газов являются такие, при которых их температура равна 0°С, а давление равно нормальному атмосферному. Таким образом, согласно таблице, плотность воздуха при нормальных условиях (при НУ) равна 1,293 кг/м 3 .
Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах
При выполнении тепловых расчетов необходимо знать значение вязкости воздуха (коэффициента вязкости) при различной температуре. Эта величина требуется для вычисления числа Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значения которых определяют режим течения этого газа. В таблице даны значения коэффициентов динамической μ и кинематической ν вязкости воздуха в диапазоне температуры от -50 до 1200°С при атмосферном давлении.
Коэффициент вязкости воздуха с ростом его температуры значительно увеличивается. Например, кинематическая вязкость воздуха равна 15,06·10 -6 м 2 /с при температуре 20°С, а с ростом температуры до 1200°С вязкость воздуха становиться равной 233,7·10 -6 м 2 /с, то есть увеличивается в 15,5 раз! Динамическая вязкость воздуха при температуре 20°С равна 18,1·10 -6 Па·с.
При нагревании воздуха увеличиваются значения как кинематической, так и динамической вязкости. Эти две величины связаны между собой через величину плотности воздуха, значение которой уменьшается при нагревании этого газа. Увеличение кинематической и динамической вязкости воздуха (как и других газов) при нагреве связано с более интенсивным колебанием молекул воздуха вокруг их равновесного состояния (согласно МКТ).
Динамическая и кинематическая вязкость воздуха (в таблице даны значения вязкости, увеличенные в 10 6 раз)
t, °С μ·10 6 , Па·с ν·10 6 , м 2 /с t, °С μ·10 6 , Па·с ν·10 6 , м 2 /с t, °С μ·10 6 , Па·с ν·10 6 , м 2 /с -50 14,6 9,23 70 20,6 20,02 350 31,4 55,46 -45 14,9 9,64 80 21,1 21,09 400 33 63,09 -40 15,2 10,04 90 21,5 22,1 450 34,6 69,28 -35 15,5 10,42 100 21,9 23,13 500 36,2 79,38 -30 15,7 10,8 110 22,4 24,3 550 37,7 88,14 -25 16 11,21 120 22,8 25,45 600 39,1 96,89 -20 16,2 11,61 130 23,3 26,63 650 40,5 106,15 -15 16,5 12,02 140 23,7 27,8 700 41,8 115,4 -10 16,7 12,43 150 24,1 28,95 750 43,1 125,1 -5 17 12,86 160 24,5 30,09 800 44,3 134,8 0 17,2 13,28 170 24,9 31,29 850 45,5 145 10 17,6 14,16 180 25,3 32,49 900 46,7 155,1 15 17,9 14,61 190 25,7 33,67 950 47,9 166,1 20 18,1 15,06 200 26 34,85 1000 49 177,1 30 18,6 16 225 26,7 37,73 1050 50,1 188,2 40 19,1 16,96 250 27,4 40,61 1100 51,2 199,3 50 19,6 17,95 300 29,7 48,33 1150 52,4 216,5 60 20,1 18,97 325 30,6 51,9 1200 53,5 233,7 Удельная теплоемкость воздуха при температуре от -50 до 1200°С
Представлена таблица удельной теплоемкости воздуха при различных температурах. Теплоемкость в таблице дана при постоянном давлении (изобарная теплоемкость воздуха) в интервале температуры от минус 50 до 1200°С для воздуха в сухом состоянии. Чему равна удельная теплоемкость воздуха? Величина удельной теплоемкости определяет количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха при постоянном давлении для увеличения его температуры на 1 градус. Например, при 20°С для нагревания 1 кг этого газа на 1°С в изобарном процессе, требуется подвести 1005 Дж тепла.
Удельная теплоемкость воздуха увеличивается с ростом его температуры. Однако, зависимость массовой теплоемкости воздуха от температуры не линейная. В интервале от -50 до 120°С ее величина практически не меняется — в этих условиях средняя теплоемкость воздуха равна 1010 Дж/(кг·град). По данным таблицы видно, что значительное влияние температура начинает оказывать со значения 130°С. Однако, температура воздуха влияет на его удельную теплоемкость намного слабее, чем на вязкость. Так, при нагреве с 0 до 1200°С теплоемкость воздуха увеличивается лишь в 1,2 раза – с 1005 до 1210 Дж/(кг·град).
Следует отметить, что теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Если сравнить теплоемкость воды и воздуха, то очевидно, что вода обладает более высоким ее значением и содержание воды в воздухе приводит к увеличению удельной теплоемкости.
Удельная теплоемкость воздуха при различных температурах — таблица
t, °С Cp, Дж/(кг·град) t, °С Cp, Дж/(кг·град) t, °С Cp, Дж/(кг·град) t, °С Cp, Дж/(кг·град) -50 1013 20 1005 150 1015 600 1114 -45 1013 30 1005 160 1017 650 1125 -40 1013 40 1005 170 1020 700 1135 -35 1013 50 1005 180 1022 750 1146 -30 1013 60 1005 190 1024 800 1156 -25 1011 70 1009 200 1026 850 1164 -20 1009 80 1009 250 1037 900 1172 -15 1009 90 1009 300 1047 950 1179 -10 1009 100 1009 350 1058 1000 1185 -5 1007 110 1009 400 1068 1050 1191 0 1005 120 1009 450 1081 1100 1197 10 1005 130 1011 500 1093 1150 1204 15 1005 140 1013 550 1104 1200 1210 Теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля воздуха
В таблице представлены такие физические свойства атмосферного воздуха, как теплопроводность, температуропроводность и его число Прандтля в зависимости от температуры. Теплофизические свойства воздуха даны в интервале от -50 до 1200°С для сухого воздуха. По данным таблицы видно, что указанные свойства воздуха существенно зависят от температуры и температурная зависимость рассмотренных свойств этого газа различна.
Теплопроводность воздуха λ при повышении температуры увеличивается во всем диапазоне, достигая при 1200°С величины 0,0915 Вт/(м·град). Другие теплофизические свойства воздуха такие, как его температуропроводность a и число Прандтля Pr, по-разному реагируют на изменение температуры. Температуропроводность, как и вязкость воздуха сильно зависит от температуры и при нагревании, например с 0 до 1200°С, ее значение увеличивается почти в 17 раз.
Число Прандтля воздуха слабо зависит от температуры и при нагревании этого газа его величина сначала снижается до величины 0,674, а затем начинает расти, и при температуре 1200°С достигает значения 0,724.
Физические свойства атмосферного воздуха — таблица
t, °С λ·10 2 , Вт/(м·град) а·10 6 , м 2 /с Pr t, °С λ·10 2 , Вт/(м·град) а·10 6 , м 2 /с Pr -50 2,04 12,7 0,728 170 3,71 45,7 0,682 -40 2,12 13,8 0,728 180 3,78 47,5 0,681 -30 2,2 14,9 0,723 190 3,86 49,5 0,681 -20 2,28 16,2 0,716 200 3,93 51,4 0,68 -10 2,36 17,4 0,712 250 4,27 61 0,677 0 2,44 18,8 0,707 300 4,6 71,6 0,674 10 2,51 20 0,705 350 4,91 81,9 0,676 20 2,59 21,4 0,703 400 5,21 93,1 0,678 30 2,67 22,9 0,701 450 5,48 104,2 0,683 40 2,76 24,3 0,699 500 5,74 115,3 0,687 50 2,83 25,7 0,698 550 5,98 126,8 0,693 60 2,9 27,2 0,696 600 6,22 138,3 0,699 70 2,96 28,6 0,694 650 6,47 150,9 0,703 80 3,05 30,2 0,692 700 6,71 163,4 0,706 90 3,13 31,9 0,69 750 6,95 176,1 0,71 100 3,21 33,6 0,688 800 7,18 188,8 0,713 110 3,28 35,2 0,687 850 7,41 202,5 0,715 120 3,34 36,8 0,686 900 7,63 216,2 0,717 130 3,42 38,6 0,685 950 7,85 231,1 0,718 140 3,49 40,3 0,684 1000 8,07 245,9 0,719 150 3,57 42,1 0,683 1100 8,5 276,2 0,722 160 3,64 43,9 0,682 1200 9,15 316,5 0,724 Будьте внимательны! Теплопроводность воздуха в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100! Температуропроводность воздуха указана в степени 10 6 . Допускается интерполяция значений физических свойств воздуха в приведенных таблицах.
Энтропия сухого воздуха
В таблице представлены значения такого теплофизического свойства воздуха, как удельная энтропия. Значения энтропии даны для сухого воздуха в размерности кДж/(кг·град) в зависимости от температуры и давления. Удельная энтропия указана в таблице в интервале температуры от -50 до 50°С при давлении воздуха от 90 до 110 кПа. Следует отметить, что при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа) и температуре, например 30°С, удельная энтропия воздуха равна 0,1044 кДж/(кг·град).
![Энтропия воздуха - таблица]()
Источники:
Читайте также:
- CFM α RPM
