Paramètres importants pour optimiser le fonctionnement des ventilateurs CC

Les ventilateurs CC constituent l'élément de base d'une solution de gestion thermique pour tout ingénieur, et ils sont conçus pour éliminer la chaleur d'une application via un refroidissement à air forcé efficace. Même si les ventilateurs CC constituent des composants bien connus et facilement identifiables, ils nécessitent toujours une compréhension de base du débit d'air et d'autres paramètres clés pour garantir l'optimisation du ventilateur sélectionné pour les besoins d'un système. Pour faciliter cette compréhension, cet article aborde les calculs de débit d'air et de pression d'air appropriés, l'alignement de ces paramètres avec la courbe de fonctionnement d'un ventilateur, l'impact de la conception sur plusieurs ventilateurs, etc.

Aperçu des paramètres de débit d'air

Avant de spécifier un ventilateur, il est important de comprendre les différents paramètres de débit d'air et de transfert de chaleur. L'air forcé fonctionne en absorbant la chaleur d'un objet, puis en la transférant ailleurs pour être dissipée, où la quantité d'énergie transférée dépend de la masse, de la chaleur spécifique et du changement de température de l'air forcé.

La masse d'air forcé est calculée à partir du volume et de la densité de l'air déplacé.

L'insertion de la deuxième équation dans la première relie l'énergie dissipée au volume d'air.

Ensuite, divisez les deux côtés par le temps pour générer l'équation suivante.

En général, la puissance excédentaire est connue et le débit d'air (volume/temps) est inconnu, ce qui signifie que l'équation peut être reformulée comme suit :

Cette équation est plus couramment écrite comme :

Où
Q = débit d'air
q = chaleur à dissiper
ρ = densité de l'air
Cp = chaleur spécifique de l'air
ΔT = la température de l'air augmentera en absorbant la chaleur à dissiper
k = une valeur constante, en fonction des unités utilisées dans les autres paramètres

La densité de l'air sec au niveau de la mer à 20°C (68°F) est de 1,20 kg/m3 (0,075 lb/pi3), tandis que la chaleur spécifique de l'air sec est de 1 kJ/kg °C (0,24 Btu/lb °F). L'insertion de ces valeurs simplifie l'équation ci-dessus pour :

Où
Qf = débit d'air en pieds cubes par minute (CFM)
Qm = débit d'air en mètres cubes par minute (CMM)
q = chaleur à dissiper en watts
ΔTF = la température de l'air augmentera en absorbant la chaleur à dissiper en °F
ΔTC = la température de l'air augmentera en absorbant la chaleur à dissiper en °C

Exigences de pression d'air

Bien que les équations ci-dessus soient résolues pour le débit d'air nécessaire à un refroidissement suffisant, il faut également calculer la pression d'air fournie par le ventilateur. Le trajet du débit d'air à travers un système crée une résistance au débit d'air, ce qui signifie que les ventilateurs doivent être capables de produire suffisamment de pression pour forcer le volume d'air spécifié à travers le système pour atteindre le refroidissement requis. Cependant, chaque système crée une exigence de pression unique et il ne peut donc pas être simplifié en équations comme avec le débit d'air. Heureusement, la modélisation des caractéristiques de pression et de débit d'air est possible grâce à de nombreux produits CAO pendant la phase de conception. Une fois la conception terminée, il est possible d'utiliser des anémomètres et des manomètres pour mesurer davantage ces caractéristiques.

Figure 1 : Modélisation du débit et de la pression d'air. (Source de l'image : Same Sky)

Exigences de production de débit et de pression d'air

Comme indiqué dans les sections précédentes, un certain débit et une certaine pression d'air doivent être produits par un ventilateur (ou des ventilateurs) pour obtenir le refroidissement requis. Sur les fiches techniques des fabricants, les informations suivantes sont indiquées : débit d'air sans contre-pression, pression maximum sans débit d'air et courbe de performances du débit d'air en fonction de la pression du ventilateur.

Dans cet exemple, un produit a été calculé comme ayant besoin d'un débit d'air de 10 pieds cubes par minute ou plus en fonction de la chaleur à éliminer et des limites de température de l'air, tandis que la conception mécanique du produit générait le graphique du débit d'air en fonction de la pression ci-dessous (Figure 2). La ligne en pointillés représente le débit d'air minimum requis, tandis que la courbe orange indique la relation entre le débit d'air et la pression.

Figure 2 : Débit d'air minimum tracé sur la courbe de débit d'air en fonction de la pression. (Source de l'image : Same Sky)

En utilisant le graphique ci-dessus, le ventilateur axial CC CFM-6025V-131-167 de Same Sky a été choisi, et sa fiche technique spécifie un débit d'air de 16 pieds cubes par minute sans contre-pression et une pression statique de 0,1 poH₂O sans débit d'air, et fournit le graphique des performances ci-dessous (Figure 3)

Figure 3 : Graphique des performances du CFM-6025V-131-167 de Same Sky. (Source de l'image : Same Sky)

Le graphique de la Figure 3 peut ensuite être superposé sur le graphique de la Figure 2 pour produire le graphique illustré à la Figure 4, qui met en évidence le point de fonctionnement du ventilateur sélectionné. Il est important de noter que bien que le point de fonctionnement de 11,5 pieds cubes par minute dépasse l'exigence de débit d'air de 10 pieds cubes par minute dans cet exemple, certaines applications nécessitent une marge de fonctionnement thermique plus grande. Par conséquent, un ventilateur avec des spécifications de performances différentes devrait être sélectionné.

Figure 4 : Point de fonctionnement du ventilateur indiqué par le cercle rouge. (Source de l'image : Same Sky)

Conception et fonctionnement de plusieurs ventilateurs

Des ventilateurs plus grands ou plus rapides offrent généralement un débit d'air et une pression maximums plus élevés. Cependant, lorsqu'un seul ventilateur n'est pas à la hauteur de la tâche, il est possible d'utiliser plusieurs ventilateurs en parallèle ou en série pour augmenter certains paramètres de performances. Par exemple, le fonctionnement des ventilateurs en parallèle augmente le débit d'air maximal, mais pas la pression maximale, tandis que le fonctionnement des ventilateurs en série augmente la pression maximale, mais pas le débit d'air maximal.

Figure 5 : Fonctionnement d'un seul ventilateur par rapport à un ventilateur en parallèle ou en série. (Source de l'image : Same Sky)

La courbe de performances du débit d'air en fonction de la pression pour une orientation en parallèle ou en série des ventilateurs est identique à une courbe de ventilateur unique, sauf que les valeurs de débit ou de pression sont multipliées par le nombre de ventilateurs fonctionnant en parallèle ou en série, respectivement. Ceci est illustré dans la pratique ci-dessous (Figure 6) avec les valeurs de débit d'air multipliées par le nombre de ventilateurs en parallèle.

Figure 6 : Multipliez le débit d'air par le nombre de ventilateurs dans une orientation en parallèle ou la pression par le nombre de ventilateurs dans une orientation en série. (Source de l'image : Same Sky)

Dans l'ensemble, le fonctionnement du ventilateur en parallèle est idéal pour les applications à débit d'air élevé et basse pression, tandis que le fonctionnement du ventilateur en série est mieux adapté aux applications à haute pression et à faible débit d'air.

Figure 7 : Comparaison des performances des ventilateurs en fonction de la résistance au débit d'air. (Source de l'image : Same Sky)

Lois sur la vitesse et l'affinité des ventilateurs

La vitesse du ventilateur (tr/min) affecte le volume d'air, la pression d'air, la consommation énergétique et le bruit acoustique émis par un ventilateur. Ces relations sont décrites plus en détail par les « lois d'affinité des ventilateurs » :

• Le volume d'air déplacé par le ventilateur est proportionnel à la vitesse du ventilateur.
  • CFM α tr/min
    • Exemple : 4 x tours par minute produisent 4 x pieds cubes par minute
• La pression d'air du ventilateur est proportionnelle au carré de la vitesse du ventilateur.
  • Pression d'air α tr/min²
    • Exemple : 2 x tr/min produisent 4 x pression
• La puissance requise pour faire fonctionner un ventilateur augmente par le cube de la vitesse du ventilateur.
  • Puissance α tr/min³
    • Exemple : 4 x tr/min nécessitent 64 x puissance
• Le bruit acoustique produit par un ventilateur augmente de 15 dB lorsque la vitesse du ventilateur est doublée.
  • Exemple : une augmentation de 10 dB du bruit acoustique est généralement perçue par l'audition humaine comme un doublement du niveau de bruit.

Figure 8 : Lois d'affinité des ventilateurs. (Source de l'image : Same Sky)

Conclusion

Une compréhension de base des exigences de débit d'air et de pression telles que décrites dans cet article peut aider les concepteurs à sélectionner le ou les ventilateurs appropriés pour répondre aux besoins de refroidissement à air forcé de leur application. Lorsqu'un seul ventilateur n'est pas en mesure de répondre aux paramètres de débit ou de pression calculés, l'orientation des ventilateurs en parallèle ou en série offre aux ingénieurs des options supplémentaires. Avec de nombreuses caractéristiques de débit d'air, pression et performances, le portefeuille diversifié de ventilateurs CC de Same Sky facilite la recherche d'une solution de ventilateur appropriée.