От чего зависит производительность вентилятора

Сегодня мы поговорим с вами о компьютерных вентиляторах. Интересная тема, не правда ли? Итак, зачем же нужен вентилятор?

Вентиляторы применяются в компьютерной технике для охлаждения!

Если бы их там не было, она приказала бы долго жить.

То, что жужжит внутри громче всего – это и есть вентиляторы.

В системном блоке или ноутбуке имеется достаточное количество тепловыделяющих элементов. Больше всего тепла выделяется:

в блоке питания,
на процессоре,
на чипе (кристалле) видеокарты.

В систему охлаждения, кроме вентилятора, входят еще радиаторы — медные или алюминиевые ребристые штуковины.

Эти два металла проводят тепло лучше всех (медь — лучше алюминия). Процессор (чип) передает тепло радиатору, так как находится в непосредственном контакте с ним. Для лучшей передачи тепла между кристаллом и радиатором наносят тонкий слой теплопроводящей смазки.

Вентилятор (fan) обеспечивает поток воздуха между ребрами радиатора, унося от них теплый воздух. На место теплого поступает более прохладный (внешний) воздух, и происходит охлаждение радиаторы и тепловыделяющих элементов.

Можно было бы обойтись без вентиляторов, только одними радиаторами. Но тогда они были в несколько раз больше, что повлекло бы за собой увеличение веса и габаритов системного блока или ноутбука.

Как было раньше?

А вентилятор блока питания выдувал наружу теплый воздух из блока питания и заодно из внутреннего пространства системного блока.Внешний прохладный воздух подсасывался в системный блок в специально сделанные отверстия на боковой стороне. Или через щели в передней панели.

С тех пор мощность и скорость работы процессоров многократно возросли. Сильно возросло тепловыделение не только в процессоре, но и в блоке питания, и на чипе видеокарты. Поэтому возросла и производительность устанавливаемых вентиляторов, и их число.

А как сейчас?

Сейчас могут устанавливаться:

отдельный вытяжной вентилятор (вентиляторы) внутри системного блока,
fan, нагнетающий внешний прохладный воздух (изнутри на боковой поверхности системного блока),
fan на видеокарту,
отдельный вентилятор непосредственно возле винчестера для его охлаждения,
и, конечно же, как минимум один в блоке питания.

Процессор компьютера может потреблять мощность более 100 Вт! Мощные видеокарты для игр могут потреблять значительно больше! Скорость вращения шпинделя электромеханического винчестера может достигать величины 15 000 об/мин, что также сопровождается значительным тепловыделением. И таких винчестеров может быть несколько в одном корпусе.

Еще большее внимание охлаждению уделяется в серверах (мощных компьютерах), управляющих локальными сетями.

От чего зависит производительность вентилятора?

Производительность вентилятора (объем воздушного потока в единицу времени) зависит от количества и размеров лопастей ротора (т.е. от габаритов вентилятора), скорости вращения ротора.

Чем больше габариты и скорость вращения ротора (крыльчатки), тем больше производительность. Однако, чем больше скорость вращения, тем больше шум.

Поэтому имеет место тенденция, когда ставят устройство большего диаметра и уменьшают скорость вращения.

При той же производительности шум получается меньшим, чем у вентилятора меньшего диаметра. Шум особенно мешает в ночное время, когда кругом тишина. Поэтому любителям ночных бдений за компьютером надо уделить серьезное внимание системе охлаждения.

Если конструкция не позволяет использовать вентилятор больших размеров, применяют утолщенные вентиляторы. Диаметр крыльчатки при этом остается прежним, но размеры лопастей увеличивается. Особенно видна эта тенденция в серверных блоках питания.

Например, в стоечных серверах (которые могут иметь толщину 1U, т.е. около 44 мм), вентилятор с большой крыльчаткой не поставишь. Поэтому там используется несколько вентиляторов 40х40 мм и толщиной также 40 мм.

Постоянная и переменная скорость вращения вентилятора

В системных блоках в большинстве случаев используются вентиляторы, питающиеся постоянным напряжением 12 В. Максимальная производительность (максимальная величина воздушного потока) имеет место при напряжении 12 В.

Устройство будет работать и при меньшем напряжении (в диапазоне от 5 до 12 В), но с меньшей производительностью. Этот факт позволяет управлять интенсивностью охлаждения системы «радиатор-вентилятор».

Вентилятор может вращаться с постоянной скоростью (и постоянным уровнем шума).

Скорость вращения (следовательно, и шум) могут регулируются схемой управления, которая отслеживает сигнал с термодатчика. Чем выше температура окружающего воздуха, тем большее напряжение подает схема управления на вентилятор. Точнее говоря, схема управления меняет скважность импульсов амплитудой 12 В. Чем больше скважность (отношение времени импульса к периоду сигнала), тем больше постоянная составляющая. И тем больше воздушный поток!

В заключение отметим, что вентилятор чаще всего имеет три гибких вывода различного цвета. По двум из них (обычно черному и красному) подается питание, по третьему (обычно желтому) снимается сигнал с датчика оборотов. Это сигнал имеет форму импульсов.

Схема управления, подсчитывая их частоту, переводит ее в количество оборотов в минуту. Эту цифру можно видеть при входе в настройки BIOS SetUp и (если настроить) при старте компьютера. При использовании специальных программ типа «Everest» эти и (многие другие параметры) можно отслеживать во все время работы компьютера.

Обычно отслеживаются обороты вентилятора процессора и еще одного-двух вентиляторов. При этом разъемы всех из них должны быть вставлены в материнскую плату.

Падение оборотов вентилятора или его остановка чревата серьезными последствиями!

Во второй части статьи мы закончим краткое знакомство с вентиляторами. Подпишитесь на обновления, чтобы не пропустить интересную статью!

Источник

Поддержание заданной производительности вентилятора в сети

Вентилятор выбирается на заданную производительность по воздуху, которую он должен обеспечивать при работе в составе приточной или вытяжной установки, вентиляционной системы. Производительность задается проектировщиком.

Какими методами можно обеспечить заданный режим работы вентилятора по производительности? Какие проблемы возникают? На эти вопросы мы ответим в настоящей статье.

Основные методы обеспечения заданного режима работы вентилятора по производительности

Известны следующие основные методы вывода вентилятора на требуемый режим по производительности в составе вентиляционной сети: дросселирование (искусственное введение в сеть дополнительного аэродинамического сопротивления), использование перед вентилятором входного направляющего аппарата, применение шкивоременной передачи между электродвигателем и вентилятором, использование частотного привода.

Дросселирование позволяет только увеличивать аэродинамическое сопротивление сети. Поэтому вентилятор должен быть подобран с некоторым запасом давления, чтобы он исходно вышел на несколько бóльшую производительность, чем расчетная. Этот метод очень часто используется на практике, однако он может оказаться очень затратным по потерям мощности.

Входной направляющий аппарат, в случае радиальных вентиляторов, позволяет только понижать аэродинамическую характеристику вентилятора, и поэтому исходно вентилятор также должен быть подобран с некоторым запасом давления для регулирования.

В случае осевых вентиляторов входной направляющий аппарат позволяет не только понижать, но и повышать в некоторых пределах аэродинамическую характеристику вентилятора. Следовательно, возможно не только снижение, но и повышение производительности вентилятора в сети. Для этого, однако, потребуется соответствующий запас установочной мощности вентилятора.

В целом входной направляющий аппарат является более эффективным устройством регулирования положения рабочей точки вентилятора в сети.

Шкивоременная передача позволяет, в принципе, обеспечить требуемую производительность вентилятора в сети подбором соответствующего соотношения диаметров ведущего и ведомого шкивов, то есть подбирается частота вращения рабочего колеса. Проблема в том, что это трудоемкий процесс. Чтобы упростить эти проблемы, вместо шкивоременной передачи используется частотный привод, который решает те же задачи, но проще в применении и легко перестраивается на требуемую частоту вращения рабочего колеса. Надо помнить только, что повышение частоты вращения выше расчетной исходной требует запаса мощности электродвигателя, допустимости работы электродвигателя и рабочего колеса на необходимых повышенных частотах. Особенность этого метода состоит в том, что, по законам аэродинамического подобия, производительность вентилятора пропорциональна частоте вращения, а полное давление вентилятора и сопротивление сети пропорциональны квадрату частоты вращения. Таким образом, изменение частоты вращения рабочего колеса хотя и приводит к изменению производительности и давления вентилятора, но положение рабочей точки на безразмерной аэродинамической характеристике вентилятора при этом не меняется. Это означает, что если вы исходно подобрали вентилятор так, что рабочая точка находится вне зоны высоких значений КПД, то регулирование частоты вращения не приведет к изменению первоначально выбранного значения КПД. Иначе говоря, применение частотного привода не устраняет проблемы правильного выбора типоразмера вентилятора и его рабочей точки.

Возникающие проблемы

Перейдем к рассмотрению проблем.

1. Первые проблемы возникают при наладке вентиляционной системы.

Приточные (или вытяжные) установки в составе вентиляционной системы при наладке требуют настройки на режим заданной производительности. Это достаточно сложный процесс, поскольку любые изменения аэродинамических сопротивлений элементов системы приводят к перераспределению расходов воздуха в системе и изменению режима работы вентилятора приточной установки по производительности. Практически при установке режимов работы, например, раздающих воздух устройств, клапанов и т. п., будет меняться сопротивление сети и, соответственно, режим работы вентилятора и других раздающих устройств. Поэтому процесс наладки сети есть процесс последовательных наладок-приближений к требуемому режиму. Он требует достаточно высокого уровня подготовки наладчиков, специальных приборов и умения ими грамотно пользоваться, значительного времени на проведение измерений и наличия в системе воздуховодов мест, где можно надежно измерить производительность установки или какой-либо ее ветви.

2. В процессе эксплуатации приточной системы происходит постепенное засорение воздушного фильтра (такая же ситуация возможна и в вытяжной системе при наличии в ней фильтра), что приводит к увеличению его аэродинамического сопротивления и, соответственно, к снижению производительности вентилятора приточной установки, по сравнению с первоначальным расчетным (рис. 1). Изменение производительности будет, конечно, зависеть от крутизны аэродинамической характеристики вентилятора вблизи рабочей точки. На заданной производительности установка будет работать только первоначально, при чистом фильтре.

Положение рабочей точки на характеристике вентилятора при трех вариантах сопротивления сети (отличаются потерями давления на фильтре)

В рамках этого пункта отметим также, что проектировщик не всегда в расчетах задает аэродинамическое сопротивление чистого фильтра. Мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда в задании сопротивление фильтра выбирается повышенное, с учетом частичного засорения, для того чтобы учесть дополнительное аэродинамическое сопротивление частично засоренного фильтра при выборе давления вентилятора. Например, аэродинамическое сопротивление чистого фильтра на расчетном режиме составляет 50 Па. В качестве предельного засорения фильтра рекомендуется, например, принимать 150 Па. Проектировщик принимает расчетное сопротивление фильтра 100–150 Па, чтобы обеспечить заданную производительность даже при засоренном фильтре. К чему это приводит?

Это приводит к тому, что вентилятор подбирается на более высокое давление, чем в случае чистого фильтра. Когда установка встроена в сеть и начинается наладка, воздушный фильтр еще чистый и имеет аэродинамическое сопротивление 50 Па. В процессе наладки вентиляционная система приводится к режиму требуемой производительности, как правило, путем введения в систему дополнительного аэродинамического сопротивления (поскольку вентилятор имеет запас давления на засорение фильтра) или снижением частоты вращения вентилятора с помощью частотного привода (если он используется в системе). А далее, в процессе эксплуатации вентиляционной системы аэродинамическое сопротивление фильтра будет возрастать и производительность вентилятора будет снижаться. Если частотный привод в системе есть, то возможно компенсировать потерю производительности, но надо знать, на сколько. Если же частотного привода в системе нет, то закладывать запас по давлению вентилятора практически бесполезно, поскольку вряд ли кто-либо будет периодически переналаживать систему.

3. Если аэродинамическое сопротивление вентиляционной системы в процессе работы меняется по каким-либо причинам (открываются окна или двери, открывается/закрывается часть приточных/вытяжных решеток), это также сопровождается изменением производительности вентилятора. Кроме того, например, режимы работы вентиляционной системы по производительности требуется менять по заданному графику в течение суток или по технологии.

Схема автоматического поддержания заданной производительности вентилятора

Из изложенного выше можно заключить, что если правильно выбрать вентилятор и укомплектовать его частотным приводом, то полезно было бы легко и эффективно управлять производительностью вентилятора и, соответственно, системы. В частности, поддерживать заданную проектом производительность.

Задача поддержания производительности не является новой. Некоторые зарубежные изготовители вентиляторов делают на входном коллекторе вентилятора дренажи для измерения разрежения и, соответственно, производительности вентилятора. Входной коллектор является очень подходящим устройством для измерения производительности, поскольку весь воздух проходит через вентилятор и в суженной части коллектора происходит ускорение потока и выравнивание профиля скоростей, что повышает точность результатов измерений. Коллектор должен быть оттарирован, то есть должна быть получена зависимость производительности через него от разрежения в нем. Такие зависимости приведены в каталогах ряда зарубежных производителей вентиляторов. На вентиляторах закладывают необходимые измерительные точки, и из корпуса выводят необходимые трубки. То есть понятно, где измерять производительность системы. Важно решить, как использовать эти данные для управления производительностью.

Для автоматического поддержания заданной производительности вентилятора по воздуху или для регулирования производительности по заданному алгоритму может быть использовано устройство, функциональная схема которого показана на рис. 2.

Схема автоматического поддержания заданной производительности вентилятора в составе вентиляционной системы:
1 – приемник статического давления на входном коллекторе радиального вентилятора;
2 – приемник статического давления в канале перед вентилятором;
3 – дифференциальный датчик давления;
4 – источник опорного сигнала давления (задатчик требуемого расхода воздуха);
5 – измерительный вольтметр (индикатор расхода воздуха);
6 – усилитель – формирователь разностного сигнала давления (сигнал ошибки расхода воздуха);
7 – электродвигатель вентилятора;
8 – ПИД-регулятор частоты вращения электродвигателя;
9 – регулируемый частотный привод

Схема работает следующим образом. Предварительно пользователь устанавливает на приборе заданную производительность вентилятора по воздуху. Этому соответствует формирование сигнала опорного давления на коллекторе, который в дальнейшем используется схемой сравнения. Разность давлений перед вентилятором и в измерительном коллекторе вентилятора подается на вход дифференциального датчика давления, на выходе которого вырабатывается сигнал электрического напряжения, пропорциональный измеренной разности давлений. Этот сигнал поступает на вход усилителя-формирователя и схему сравнения, где производится сравнение измеренного давления в коллекторе и заданного опорного сигнала (соответствующего требуемой производительности вентилятора). Сигнал ошибки расхода воздуха поступает на вход ПИД-регулятора, формируется там соответствующим образом и далее подается на управляющий вход частотного привода, связанного с электродвигателем вентилятора. Значение реальной производительности вентилятора отображается на цифровом индикаторе устройства.

Аналогичная схема используется, например, в многоквартирных зданиях для поддержания заданного давления в системе подачи воды; однако, в отличие от рассматриваемого случая, объектом регулирования является давление воды в системе. В частности, выпускаются частотные приводы с ПИД-регулятором, максимально адаптированные для решения таких задач регулирования. Однако система регулирования для замыкания требует усилий специалиста для дополнения необходимыми элементами и построения правильного алгоритма работы и контроля.

Некоторые производители начали выпуск полностью законченных устройств регулирования, для применения которых необходим только правильный выбор по параметрам частотного привода. Такое устройство может быть настроено на проектную производительность конкретного оборудования в условиях завода-изготовителя и позволяет поддерживать и контролировать заданную производительность при изменении сопротивления сети по тем или иным причинам. Например, в процессе наладки, при исходно неизвестном сопротивлении сети, вентилятор автоматически выйдет на режим заданной производительности (при физической реализуемости такого режима) и этот режим будет поддерживаться в процессе наладки сети.

При необходимости в условиях применения можно изменить заданную производительность вентилятора в допустимых для конкретного вентилятора пределах. Кроме того, в системе должна быть предусмотрена защита электродвигателя и защита от недопустимых режимов работы и несанкционированных действий. Устройство автоматического поддержания заданной производительности вентилятора по воздуху должно работать как полностью автономно, так и в составе системы управления вентиляционной установкой.

Источник

Аэродинамические характеристики вентилятора: как их «читать» и применять на практике?

В каталогах для вентиляторов часто приводят аэродинамические характеристики вентилятора в виде графика.

Рассмотрим такой график для центробежного вентилятора среднего давления и покажем почему иногда нельзя включать такой вентилятор с открытым входом.

Аеродинамические характеристики вентилятора среднего давления

В нашем случае это вентилятор среднего давления ВЦ 14-46 №4 . Рассмотрим пример его аеродинамических характеристик, взятых из паспорта на вентилятор.

На графике красным цветом отмечены мои дорисовки для лучшего понимания материала, изложенного ниже.

На графике:
Pv – полное давление, Па;
Q – производительность, тыс. м3/час;
Nу – установочная мощность, кВт;
n – частота вращения рабочего колеса, об/мин;
η – КПД агрегата.Реальные кривые полного давления вентилятора Pv(Q) при вращении его рабочего колеса (крыльчатки) при оборотах n=950 об/мин и n=1450 об/мин обозначены двумя жирными линиями. Здесь же приведена серия ниспадающих кривых, пересекающих кривые Pv(Q) (тонкие линии). Эти кривые иногда называют кривыми мощности (или кривыми равной мощности). На каждой такой кривой приведена мощность электродвигателя.

На самом деле, это кривые полного давления Pv’(Q), которое имел бы этот вентилятор, если бы он работал с переменной частотой вращения, но при постоянной мощности.

Слева от точки пересечения с реальной кривой Pv(Q) — с повышенной частотой вращения относительно номинала, а правее точки пересечения — с пониженной частотой.

Из выше сказанного следует понимать, что в левой части, до пересечения мнимой кривой (тонкой линии) с реальной (жирной линии) электродвигатель вентилятора работает с запасом по мощности, а в правой части после пересечения – электродвигатель перегружен, и при длительной работе может выйти из строя.

Пример характеристики вентилятора при комплектации электродвигателем

Рассмотрим такой пример. Если взять вентилятор ВЦ 14-46 №4, укомплектовать его электродвигателем 4кВт 1500 об/мин и включить такой вентилятор с открытым входом – то в таком случае рабочая точка вентилятора сместиться в крайнее правое положение на кривой полного давления Pv(Q) для n=1450 об/мин. При этом Q > 10 тыс. куб м и Рv=1400 Па ( точка А на графике).

Но чтобы перекачать такое количество воздуха и с таким давлением нужна установочная мощность электродвигателя не менее 7,5 кВт, а лучше и 11 кВт (смотрите на графике). Поэтому в таком режиме электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин будет работать с большой перегрузкой. И наверняка очень скоро перегреется и выйдет из строя если у него нет соответствующей защиты.

И что же делать?

Надо закрывать вход вентилятора. Лучше шибером. Шибер — специальная заслонка для перекрытия потока воздуха. Процедуру перекрытия потока иногда еще называют шиберованием. Итак, лучше, когда первый запуск вентилятора происходит при закрытом шибере на входе вентилятора (то есть на «холостом» ходу).

«Холостой» ход для вентилятора — это работа вентилятора при закрытом входе (рабочая точка на реальной кривой полного давления вентилятора смещена влево).

После пуска агрегата шибер открываются одновременно с измерением тока потребления электродвигателя (рабочая точка по кривой смещается вправо). Постепенно открытием шибера значение тока потребления электродвигателя доводится до номинального* и при этом шибер фиксируется ( точка В на графике). Дальнейшее открытие шибера будет смещать рабочую точку вентилятора вправо (к точке А ), а это в нашем случае будет вводить электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин в режим перегрузки.

* — Номинальный ток электродвигателя указан на шильдике электродвигателя.

Источник

Какие вентиляторы применяются в компьютерной технике и зачем они нужны

Вентиляторы применяются в компьютерной технике для охлаждения!

Если бы их там не было, она приказала бы долго жить.

То, что жужжит внутри громче всего – это и есть вентиляторы.

в блоке питания,
на процессоре,
на чипе (кристалле) видеокарты.

В систему охлаждения, кроме вентилятора, входят еще радиаторы — медные или алюминиевые ребристые штуковины.

Как было раньше?

А как сейчас?

Сейчас могут устанавливаться:

отдельный вытяжной вентилятор (вентиляторы) внутри системного блока,
fan, нагнетающий внешний прохладный воздух (изнутри на боковой поверхности системного блока),
fan на видеокарту,
отдельный вентилятор непосредственно возле винчестера для его охлаждения,
и, конечно же, как минимум один в блоке питания.

Еще большее внимание охлаждению уделяется в серверах (мощных компьютерах), управляющих локальными сетями.

От чего зависит производительность вентилятора?

Поэтому имеет место тенденция, когда ставят устройство большего диаметра и уменьшают скорость вращения.

Постоянная и переменная скорость вращения вентилятора

Вентилятор может вращаться с постоянной скоростью (и постоянным уровнем шума).

Падение оборотов вентилятора или его остановка чревата серьезными последствиями!

Источник