Koelventilatoren
Berekenen en kiezen
Het gebruik van de juiste koelventilator voor een apparaat is erg belangrijk. Aan de ene kant willen we de ventilator niet te groot kiezen omdat dat energie verspilt en onnodig lawaai maakt. Aan de andere kant moet de ventilator groot genoeg zijn om de warmte af te voeren. Als we de ventilator te krap dimensioneren, riskeren we oververhitting, wat tot grote reparatiekosten kan leiden.
Figuur 1. De warmte die wordt geproduceerd in een elektrisch apparaat kan worden afgevoerd met koellucht.
Bij het kiezen van een koelventilator gaan we gewoonlijk als volgt te werk:
- Bepaal het gedissipeerde vermogen in het apparaat.
- Bepaal de maximaal toelaatbare temperatuurstijging in de kast.
- Bereken de luchtverplaatsing die nodig is om aan deze voorwaarden te voldoen.
- Maak een schatting van de weerstand die de luchtstroom in het apparaat ondervindt.
- Kies de ventilator met behulp van de belastingscurve in de catalogus of de datasheet van de fabrikant.
De benodigde luchtverplaatsing om een apparaat te koelen kan worden berekend uit het gedissipeerde vermogen en de toelaatbare temperatuurstijging met behulp van de basisformule voor warmteoverdracht:
Waarin:
H = gedissipeerde vermogen;
Cp = soortelijke warmte van lucht;
AT =toelaatbare temperatuurstijging in de behuizing;
W = Massa van de verplaatste lucht.
De massa van de verplaatste lucht is te berekenen als W = Q x D, waarbij D = soortelijke massa van lucht en Q = verplaatste lucht. Aziatische fabrikanten drukken laatstgenoemde meestal uit in kubieke voet per minuut (cubic feet/minute), Europese fabrikanten vermelden de luchtverplaatsing gewoonlijk in kubieke meter per uur. De omrekening is echter eenvoudig (1 ft3/min = 0,0283 M3/min = 1,7 M3/h).
Door substitutie vinden we:
Door de conversiefactoren voor de soortelijke warmte en soortelijke dichtheid van lucht (op zeeniveau) toe te passen, komen we dan tot een maat voor de benodigde luchtverplaatsing per graad temperatuurstijging:
Q = 1,76 x aantal watts / AT (CFM)
Q = 0,05 x aantal watts / AT (M3/min)
We vinden dan de volgende vergelijkingen:
Q = benodigde luchtverplaatsing;
P = gedissipeerd vermogen;
Tc =toelaatbare temperatuurstijging in °C;
ΔT = ΔT1 - ΔT2.
Het verband tussen temperatuurstijging, gedissipeerde vermogen en luchtverplaatsing (in ft3) is samengevat in tabel 1.
| ΔT °C | 0,5 kWh | 1,0 kWh | 1,5 kWh | 2,0 kWh | 2,5 kWh | 3,0 kWh | 3,5 kWh | 4,0 kWh | 4,5 kWh | 5,0 kWh |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 18 | 35 | 53 | 70 | 88 | 105 | 123 | 141 | 158 | 176 |
| 45 | 20 | 39 | 59 | 78 | 98 | 117 | 137 | 156 | 176 | 195 |
| 40 | 22 | 44 | 66 | 88 | 110 | 132 | 154 | 176 | 195 | 220 |
| 35 | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 | 151 | 176 | 201 | 226 | 251 |
| 30 | 29 | 59 | 88 | 117 | 146 | 176 | 205 | 234 | 264 | 293 |
| 25 | 35 | 75 | 105 | 141 | 176 | 211 | 246 | 281 | 316 | 351 |
| 20 | 44 | 88 | 132 | 176 | 220 | 264 | 308 | 351 | 396 | 439 |
| 15 | 59 | 117 | 176 | 234 | 293 | 351 | 410 | 469 | 527 | 586 |
| 10 | 88 | 176 | 264 | 351 | 439 | 527 | 615 | 704 | 791 | 879 |
| 5 | 176 | 351 | 527 | 704 | 879 | 1055 | 1230 | 1406 | 1582 | 1758 |
Een voorbeeld
Als het gedissipeerde vermogen 500 W is en ΔT is 10°C, dan vinden we:
of
Luchtweerstand / systeemkarakteristiek
De lucht die zich verplaatst door de behuizing van het apparaat ondervindt een zekere weerstand, waardoor de stroming wordt belemmerd. Daardoor ontstaat een drukverschil tussen de instromende en de uitstromende lucht. We kunnen dit verschil (ΔP) uitdrukken in millimeter (of inches) waterdruk (mm H2O).
Het verband tussen de hoeveelheid lucht die door het systeem stroomt en het drukverschil dat hierdoor ontstaat (de zogenaamde statische druk) kunnen we uitdrukken in een formule voor de systeemkarakteristiek:
Hierin is:
K = een constante die afhangt van de opbouw van het systeem;
Q = luchtstroom;
n = turbulentiefactor, 1 ≤ n ≤ 2;
(laminaire stroming, n = 1; turbulente stroming, n = 2).
Dit verband is dus niet-lineair als er sprake is van turbulentie. Hoe groter de turbulentie is, hoe meer de grafiek van de druk als functie van de luchtverplaatsing zal afwijken van een rechte lijn en hoe meer deze zal gaan lijken op een parabool.
Het snijpunt tussen deze karakteristieke curve (de impedantiecurve) van het systeem en de belastingslijn van de ventilator bepaalt nu het zogenaamde werkpunt van het systeem met ventilator. Zoals in figuur 2 te zien is, kunnen we hiermee het werkpunt van het systeem vinden en daarmee een keuze maken voor de meest geschikte ventilator. Dit is het punt waar zowel de hellingshoek van de belastingslijn als die van de ventilator minimaal zijn. Ook de statische efficiëntie (luchtstroom maal statische druk gedeeld door vermogen) is op dat punt optimaal.
Figuur 2. Het snijpunt van de belastingslijn van de ventilator en de impedantiecurve van het apparaat heet het werkpunt.
Ontwerpoverwegingen
Bij de opbouw van het systeem kunnen we hiermee rekening houden, zodat een zo klein mogelijke ventilator kan volstaan:
- Zorg er voor dat de luchtstroom zo weinig mogelijk belemmerd wordt. Houd vooral de in- en uitlaatopeningen van de lucht zoveel mogelijk vrij.
- Laat de lucht bij voorkeur verticaal door de behuizing stromen.
- Als een stoffilter nodig is, houd dan rekening met de extra weerstand die de luchtstroom daardoor ondervindt.
Figuur 3. Belastingslijn van een ventilator van 60 x 60 x 25 mm bij normale snelheid.
Sunon geeft enkele voorbeelden voor de keuze van een ventilator uit hun catalogus.
Voorbeeld 1: In figuur 3 zien we een voorbeeld van de belastingslijn van een typische Sunon DC ventilator met afmetingen van 60 x 60 x 25 mm. Deze ventilator kan bijvoorbeeld gebruikt worden in de werkpunten A en C, met respectievelijk een luchtstroom van 6 CFM en 20 CFM. Bij een (te) hoge karakteristieke impedantie van het systeem, bijvoorbeeld 4 mm H2O, komen we uit in werkpunt A. Bij een lage karakteristieke impedantie van 1 mm H2O komen we uit in werkpunt C. Maar als we de opbouw van het systeem zo kunnen aanpassen dat de karakteristieke weerstand 2,3 mm H2O is, dan kunnen we uitkomen in het punt B, waar de ventilator meer dan 12 CFM verplaatst.
Figuur 4. Belastingslijn van een ventilator van 60 x 60 x 15 mm bij lage en normale snelheid.
Voorbeeld 2: Curve 2 in figuur 4 hoort bij een ventilator van dezelfde afmetingen, maar een lager toerental dan curve 1. Als het systeem maar 15 CFM nodig heeft bij 1,25 mm H2O, dan gaat de parabool van drukverschil versus stroomsnelheid door punt B. Een ventilator die 18 CFM levert bij een statische druk van 0 is dus voldoende voor de koeling. Er kan dan een ventilator met een lager toerental gebruikt worden.
In figuur 4 wordt het verschil tussen deze beide toerentallen weergegeven in één plaatje. Als de luchtweerstand in het systeem ver genoeg teruggebracht kan worden, dan kan zelfs een ventilator met kleinere afmetingen maar dezelfde luchtverplaatsing gebruikt worden.
Parallel en serieel gebruik
Bij parallel gebruik worden twee ventilatoren naast elkaar gebruikt zoals in figuur 5.
Als twee identieke ventilatoren parallel (naast elkaar) gebruikt worden, zou de totale luchtverplaatsing het dubbele van de luchtverplaatsing van een ventilator kunnen zijn, als we het drukverschil dat ontstaat door de luchtweerstand in het systeem buiten beschouwing laten. In de praktijk zal de totale luchtverplaatsing minder dan twee keer zo groot zijn, vooral bij een hoge karakteristieke luchtweerstand. Het parallel gebruik van ventilatoren wordt dan ook alleen aangeraden bij systemen met een kleine luchtweerstand.
Bij serieel gebruik worden meerdere ventilatoren achter elkaar geplaatst, zoals in figuur 6. In deze configuratie kunnen de ventilatoren een twee keer zo groot drukverschil bereiken als wanneer er één ventilator gebruikt wordt. De totale luchtverplaatsing blijft echter hetzelfde als we de luchtweerstand van het systeem buiten beschouwing laten.
Bij een systeem met een hoge luchtweerstand kan de luchtverplaatsing wel vergroot worden door de serieschakeling van meerdere ventilatoren. Serieschakeling van ventilatoren kan dus een goed idee zijn bij systemen met een hoge luchtweerstand.
Geluid
De hoeveel geluid die ventilatoren produceren, wordt gewoonlijk gemeten in een akoestisch dode ruimte. Het geluidsniveau wordt gemeten met een microfoon op een afstand van 1 meter van de instroomopening. Om het geruis van de ventilator zoveel mogelijk te beperken, moeten we rekening houden met de volgende punten.
Systeemimpedantie
Het gebied tussen de inlaat en de uitlaat voor de koellucht in de behuizing bepaalt voor zo'n 60 ... 80% de karakteristieke impedantie van het systeem. Hoe groter de impedantie, hoe meer lucht er nodig is om de warmte af te voeren. Maar hoe meer lucht er stroomt, hoe hoger ook het geluidsniveau wordt. We moeten de systeemimpedantie dus zo laag mogelijk zien te houden.
Verstoring van de luchtstroom
Alle obstakels in de luchtweg zorgen voor extra geluid. Bij een turbulente stroming is dat effect nog sterker dan bij een laminaire stroming. Vooral in de buurt van de luchtinlaat en -uitlaat moeten obstakels vermeden worden.
Toerental en grootte van de ventilator
Een sneldraaiende ventilator veroorzaakt meer geruis dan een langzaam draaiende. Het is dan ook het beste om, waar mogelijk, een ventilator met een laag toerental te kiezen. Een grote ventilator met een laag toerental is over het algemeen gunstiger dan een kleine ventilator met een hoog toerental.
Temperatuurstijging
De hoeveelheid stromende lucht door het apparaat is omgekeerd evenredig met de toelaatbare temperatuurstijging in de kast. Een kleine verandering in die temperatuurstijging kan daardoor een groot verschil maken in de hoeveelheid benodigde lucht. Daarom moeten we kritisch kijken naar de eisen voor de temperatuurstijging. Als we daar een kleine concessie kunnen doen, maakt dat een groot verschil in de keuze van de ventilator.
Trillingen
Door de ventilator te monteren op een zachte, flexibele ondergrond, bijvoorbeeld met behulp van een rubber ring, kunnen we voorkomen dat de trillingen van de ventilator worden doorgegeven aan de kast van het apparaat.
Voedingsspanningsvariaties
De spanning waarmee de ventilator gevoed wordt, beïnvloedt het toerental en daarmee de geproduceerde ruis. We moeten de ventilator dus niet voeden met een hogere spanning dan strikt noodzakelijk is.
Ventilator ontwerp
De fabrikant van de ventilator kan veel doen om het lawaai te beperken. Het ontwerp van het anker van de ventilatormotor, de schoepen, de behuizing en de lagers hebben hier allemaal een grote invloed op.
 |
 |
| Figuur 5. Het effect van paralleischakeling van ventilatoren. | Figuur 6. Het effect van serieschakeling van ventilatoren. |