Ventilatorul poate fi tratat ca pompa de aer, care transformă mişcarea turbionară şi puterea motorului care acţionează pompa în flux de aer cu o anumită viteză şi presiune. Pentru conversie este utilizat un element de fabricaţie sub formă de elice. Nimic mai evident. Dar cum să pui de acord mărimea ventilatorului cu cantitatea de aer cald evacuat? Când să folosim un ventilator şi când o suflantă? Ne vom strădui să răspundem la aceste întrebări şi la altele cu ajutorul materialelor liderului în producţia de ventilatoare, firma Sunon.
Ventilator şi suflantă
Ventilatorul şi suflanta sunt pompe de aer şi de aceea, li se vor aplica aceiaşi parametri care caracterizează funcţionarea unei pompe. Mişcarea rotativă a motorului este transformată în mişcare de translaţie a aerului cu ajutorul elicei. În figura 1 este prezentat un ventilator tip, iar în figura 2 o suflantă, ambele produse de firma Sunon. Diferenţa fundamentală dintre acestea constă în modul de trecere a aerului şi în caracteristicile presiunii create.
Ventilatorul deplasează aerul într-o direcţie perpendiculară pe planul de rotire a elicei. Astfel, poate determina un flux considerabil (tabel 1), dar nu se descurcă prea bine în cazul unei mari diferenţe între presiuni, suflând aerul “contra” presiunii ridicate. Suflanta deplasează aerul într-o direcţie paralelă cu planul de rotire, astfel încât, în comparaţie cu ventilatorul, creează un flux mai mic (tabel 2). Avantajul ei constă în faptul că diferenţa dintre presiuni poate fi mare, iar suflanta, în mod contrar ventilatorului, poate funcţiona “contra” unei presiuni mari.
În majoritatea aplicaţiilor, utilizatorul are de-a face cu un ventilator sub forma unei elice fixate de rotorul motorului, care o pune într-o mişcare turbionară. Elicea este înconjurată de o mică acoperitoare, care are totodată pe margini între două şi mai multe orificii pentru şuruburile de fixare. Se pot întâlni şi tipuri de ventilatoare “îmbrăcate” într-un de tub sau amplasate în interiorul unui canal de aerisire. Aceste acoperitori, în afară de protecţia mecanică a ventilatorului, reduc şi turbioanele care apar pe marginile elicei. Pentru acţionarea ventilatoarelor şi suflantelor sunt folosite motoare de inducţie, alimentate cu curent alternativ sau motoare fără perii, alimentate cu curent continuu. Atât ventilatoarele, cât şi suflantele sunt fabricate cu filet stânga şi cu filet dreapta. Ventilatoarele produse de Sunon au tensiunea minimă de alimentare 5Vdc, iar cea maximă 230Vac.
Pentru o durată lungă de viaţă a ventilatorului, o mare importanţă este acordată modului de fixare a lagărelor pe rotor, deoarece calitatea şi fiabilitatea acestuia decid în cel mai mare grad cu privire la durata de funcţionare a ventilatorului în aplicaţia respectivă. Şi aici trebuie evidenţiată firma Sunon pentru modificarea
fixării magnetice a lagărelor rotorului, denumită MagLev, patentată şi introdusă în produsele firmei (figura 3). Diferenţa dintre soluţiile tradiţionale şi cea aplicată de Sunon constă în coborârea centrului de greutate al rotorului şi stabilizarea orbitei rotorului prin utilizarea unui stator modelat în mod corespunzător şi a unei plăcuţe MagLev de reacţie, cu magnet permanent. În acest mod, se obţine o reducere a vibraţiilor rotorului, fapt care se traduce direct printr-o reducere semnificativă a zgomotului.
Bazele aerodinamicii elicei
În figura 4 sunt prezentaţi parametrii de bază ai elicei. Coarda aripii (linia întreruptă) trece prin punctul cel mai sus poziţionat de pe bordul de atac şi prin cel mai înalt punct al bordului de fugă al aripii. Unghiul de atac al aripii este măsurat între coardă şi direcţia relativă a mişcării aerului. Având în vedere că această direcţie se află în planul de rotire, unghiul va fi măsurat între acest plan şi coarda aripii. Dacă unghiul de atac este mic, atunci presiunea diferenţială (măsurată pe ambele părţi ale planului de rotire) este, de asemenea, mică. O dată cu creşterea unghiului de atac (efectul va fi creşterea grosimii ventilatorului), creşte presiunea şi scade fluxul de aer pe ambele părţi ale aripii elicei. Fluxul poate scădea până aproape de 0. Acest punct se numeşte punct de tăiere.
Ventilatoarele şi suflantele cel mai adesea utilizate în electronică au aripile cu un unghi de atac fix, iar la o viteză de rotaţie fixă, cel mai adesea stabilizată, au o capacitate proprie, strict determinată, de deplasare a unei anumite cantităţi de aer, denumită randament. Randamentul ventilatorului se schimbă o dată cu schimbarea densităţii aerului. Acest lucru are o mare importanţă dacă ventilatorul sau suflanta vor fi exploatate la o înălţime diferită de nivelul mării. În acest caz, ventilatorul destinat funcţionării la altitudine mare trebuie să aibă un randament mai mare decât cel destinat funcţionării la nivelul mării.
Curba de lucru a ventilatorului
Explicarea principiilor de bază ale aerodinamicii elicei ventilatorului este necesară pentru a putea înţelege datele de catalog prezentate de producătorii ventilatoarelor. Având în vedere că majoritatea producătorilor de ventilatoare menţionează parametrii acestora în unităţi utilizate în Statele Unite şi Asia, în cataloage vom întâlni fluxul dat în CFM, adică Cubic Feet per Minute (picior cubic pe minut) şi presiunea în Inches of Water, adică ţoli coloană de apă. Din fericire, dependenţa dintre picioare sau ţoli şi metri este liniară şi, dacă este necesar, conversia unităţilor este uşoară. În pagina web a firmei TME este disponibilă documentaţia tehnică a produselor Sunon, în care curbele ventilatoarelor sunt exprimate în unităţi imperiale şi SI.
Toate aspectele aerodinamice ale funcţionării ventilatorului sunt reflectate de curba denumită curba ventilatorului. Aceasta poate arăta ca în figura 5. Analiza începe de la dreapta spre stânga, adică de la cel mai mare flux de aer până la punctul de tăiere. Aripa ventilatorului care funcţionează în apropierea punctului de tăiere poate în continuare să livreze aer, însă apare un zgomot de “măcinare”, cu un consum mare, simultan, de energie.
Suprafaţa de sub curbă reprezintă energia consumată pentru funcţionarea ventilatorului.
În punctul de tăiere, rotorul are cea mai mare energie potenţială, însă pe axa ordonatelor – cea mai mare energie cinetică. Deşi acestea nu sunt condiţii de lucru utile în practică, pot fi folosite pentru compararea ventilatoarelor.
Alegerea ventilatorului potrivit
Evaluarea fluxului de aer
Firma Sunon prezintă în datele sale de catalog curbele pentru fiecare tip de ventilator. Astfel, se poate alege cu uşurinţă ventilatorul potrivit. În practica inginerească sau de construcţii, la proiectarea unor sisteme simple, vor fi suficiente indicaţiile de mai jos. Dacă sistemul răcit este foarte complex, atunci, din păcate, se poate dovedi că este necesară efectuarea unei serii de măsurători, simulări pe computer sau alegerea unui ventilator prin metoda “încercare – eroare”.
Pentru echipamentele simple alcătuite din alimentator şi componente închise într-o carcasă comună se poate presupune că întreaga energie furnizată este convertită în căldură. După măsurarea sau calcularea cerinţelor echipamentului legate de alimentare, se poate evalua cantitatea de putere pe care trebuie să o disperseze sistemul de răcire. Capacitatea termică medie a aerului este egală cu 0,569W minut × °C /ft3. Aceasta înseamnă că fiecare ft3 de aer care trece prin sistem pe durata unui minut poate dispersa 0,569 W şi poate determina modificarea temperaturii cu 1°C. Acest lucru poate fi exprimat şi într-un alt mod: pierderile de putere de 1W determină creşterea temperaturii cu câte 1°C şi, pentru a le preveni, prin sistem trebuie să treacă, pe durata unui minut, 1,757 ft3.
După evaluarea pierderilor de putere în waţi şi determinarea creşterii admise a temperaturii, se poate trece la alegerea ventilatorului. Şi aici, din păcate, este necesară cunoaşterea presiunii diferenţiale a aerului, adică a aerului aflat în interiorul şi în exteriorul carcasei. Este un parametru foarte important, pentru că, aşa cum ne amintim, ventilatorul nu se descurcă prea bine cu funcţionarea “contra” presiunii. De exemplu, manometrul poate indica presiuni diferenţiale de la 0,2 la 0,25” coloană de apă, dacă orificiul ventilatorului este prevăzut cu un mic filtru antipraf. După aplicarea acestei valori pe graficul ventilatorului tip care determină un flux de circa 100 CFM (de exemplu PMD4809PMB1A din oferta Sunon, figura 6), se va dovedi că această valoare a presiunii diferenţiale reduce fluxul cu până la circa 50%! Fluxul necesar se calculează: m∙=k×P/(T0-T), unde: k=1,757cfm × °C/W, P este puterea dispersată în W, T0-T este modificarea temperaturii în °C.
Exemplu de alegere a ventilatorului
În mod standard, alimentatorulAC/DC funcţionează cu un randament de 75%. În calculele simple, se presupune că sistemul foloseşte 70% din puterea utilă maximă a sursei de tensiune de alimentare. Astfel, un alimentator cu puterea utilă maximă de 400W şi un randament de 75%, pentru a furniza 400W trebuie să consume 400W / 0.75=533.33W, deci trebuie să consume în plus 133.33W care devin căldură. Ventilatorul trebuie să disperseze toată căldura inutilă. Dar, presupunând că sistemul foloseşte 70% din puterea utilă maximă a sursei de tensiune de alimentare şi cădura disipată va fi mai mică, respectiv 133.33W × 0.7= 93.33W.
Să presupunem că va funcţiona într-un mediu cu o temperatură, în cel mai rău caz, egală cu 35°C, iar temperatura aerului în interiorul aparatului nu va putea depăşi 50°C. Conform formulei date mai sus m=1,757×350/(50-35)=40,99 CFM.
Acum trebuie să alegem un ventilator cu parametrii necesari şi să marcăm fluxul calculat pe axa absciselor. Apoi va trebui să stabilim dacă ventilatorul respectiv va putea să funcţioneze la presiunea diferenţială cunoscută, reţinând faptul că fiecare obstacol din calea aerului poate creşte această presiune. În plus, plasa care protejează ventilatorul de obiectele mici determină creşterea presiunii diferenţiale cu valori de 0,1…0,15”, filtrul dens antipraf cu 0,2…0,3”, însă grătarul de sârmă care înconjoară ventilatorul permite funcţionarea la o presiune diferenţială aproape de 0” coloană de apă.
Ventilatoarele produse de Sunon
Într-un sistem răcit cu ajutorul circulaţiei forţate a aerului, ventilatorul este un element deosebit de important, iar avarierea acestuia poate atrage după sine un şir de evenimente greu de prevăzut. De aceea, este important să utilizaţi dispozitive fabricate de producători siguri şi verificaţi. Printre aceştia se numără firma taiwaneză Sunon care, de mai bine de 30 de ani, produce ventilatoare destinate răcirii echipamentelor electronice. În oferta acesteia se află, practic, ventilatoare pentru orice aplicaţie: începând de la cele miniaturale cu dimensiunile 17×17×8 mm, până la cele mari, care asigură un flux apropiat de 200 CMF. Modul special, patentat, de fixare al lagărelor este garanţia că ventilatorul va face faţă în condiţii dificile.
Regulile de alegere descrise mai sus şi tabelele permit alegerea cu uşurinţă a ventilatorului corespunzător aplicaţiei, iar posibilitatea de cumpărare a acestuia de la magazinul online TME (www.tme.pl/) este garanţia că produsul ales va fi livrat rapid şi în siguranţă la adresa indicată. Calitatea produsului, preţul avantajos şi livrarea garantată de marca recunoscută a TME reprezintă premize suficiente pentru alegerea acestui produs.
Jacek Bogusz
Mai multe informaţii:
Transfer Multisort Elektronik
Str. B.P. Haşdeu nr. 8, Timişoara
Tel.: +40 356467401, Fax: +40 356467400
tme@tme.ro
www.tme.eu
Patentul firmei Sunon este reprezentat de o plăcuţă din material paramagnetic şi un stator special care, reacţionând cu magnetul, determină strângerea rotorului pe întreaga circumferinţă în jos şi sprijinirea axului acestuia de cuzinet. În acest mod, este coborât centrul de greutate şi orbita este stabilizată. Ca urmare, vibraţiile rotorului vor fi reduse la minimum.
Ventilatorul tip foloseşte centrul câmpului magnetic pentru a trage rotorul în jos şi a sprijini axul acestuia de cuzinet. Centrul de greutate poziţionat sus, neuniformitatea intensităţii câmpului magnetic şi devierile centrului magnetic determină vibraţiile rotorului.